ギ酸は、二酸化炭素から（電気）化学的手法を用いて生成され、酵素カスケード反応や遺伝子操作された微生物によって高付加価値製品に変換される、カーボンニュートラルなバイオエコノミーの基盤と見なすことができます。合成ギ酸の利用拡大における重要なステップは、ギ酸によるホルムアルデヒドの還元であり、これは熱力学的に複雑な反応であり、ここでは黄色に変色して現れます。画像提供：マックス・プランク／ガイゼル地球科学研究所。
マックス・プランク研究所の科学者たちは、ギ酸の助けを借りて二酸化炭素をホルムアルデヒドに変換する合成代謝経路を開発し、貴重な物質を生産するカーボンニュートラルな方法を提示した。
二酸化炭素固定のための新たな同化経路は、大気中の二酸化炭素濃度を低減するだけでなく、医薬品や有効成分の従来の化学合成を、カーボンニュートラルな生物学的プロセスに置き換える可能性も秘めている。新たな研究では、ギ酸を用いて二酸化炭素を生化学産業にとって価値のある物質に変換するプロセスが実証された。
温室効果ガスの排出量増加に伴い、大規模排出源からの炭素隔離、すなわち二酸化炭素の回収は喫緊の課題となっている。自然界では、二酸化炭素の同化作用は何百万年も前から行われているが、その力は人為的な排出量を相殺するには到底十分ではない。
マックス・プランク地球微生物学研究所のトビアス・エルブ氏率いる研究チームは、二酸化炭素固定のための新たな方法を開発するために、自然の仕組みを利用している。彼らは今回、人工光合成の中間体となりうるギ酸から、反応性の高いホルムアルデヒドを生成する人工代謝経路の開発に成功した。ホルムアルデヒドは、毒性作用を一切及ぼすことなく、複数の代謝経路に直接取り込まれ、他の有用な物質を生成することができる。自然のプロセスと同様に、エネルギーと炭素という2つの主要な要素が必要となる。エネルギーは、直射日光だけでなく、例えば太陽光発電モジュールなどの電力からも供給できる。
バリューチェーンにおいて、炭素源は多様です。二酸化炭素だけが選択肢ではなく、一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンといった個々の炭素化合物（C1構成要素）すべてが対象となります。しかし、これらの物質のほとんどは、生物（一酸化炭素、ホルムアルデヒド、メタノール）にとっても地球（温室効果ガスとしてのメタン）にとっても、非常に毒性が高いものです。ギ酸が中和されて基本ギ酸塩になった後になって初めて、多くの微生物は高濃度のギ酸に耐えることができるようになります。
「ギ酸は非常に有望な炭素源です」と、この研究の筆頭著者であるマレン・ナッターマン氏は強調する。「しかし、試験管内でギ酸をホルムアルデヒドに変換するには、非常に多くのエネルギーが必要です。」これは、ギ酸塩であるギ酸塩が容易にホルムアルデヒドに変換されないためです。「この2つの分子の間には深刻な化学的障壁があり、実際の反応を行うには、生化学的エネルギーであるATPの助けを借りて、その障壁を克服しなければなりません。」
研究者たちの目的は、より経済的な方法を見つけることだった。結局のところ、炭素を代謝に供給するのに必要なエネルギーが少なければ少ないほど、成長や生産を促進するために使えるエネルギーが多くなる。しかし、自然界にはそのような方法はない。「複数の機能を持ついわゆるハイブリッド酵素の発見には、ある程度の創造性が必要だった」とトビアス・エルブは言う。「しかし、候補酵素の発見は始まりに過ぎない。我々は、非常に遅いためまとめて数えられる反応について話している。場合によっては、酵素1つあたり1秒に1回未満の反応しかない。自然の反応は、1000倍も速い速度で進行する可能性がある」。ここで合成生化学が登場するとマレン・ナッターマンは言う。「酵素の構造とメカニズムが分かれば、どこに介入すべきかが分かる。それは大きな恩恵をもたらしてきた」。
酵素の最適化には、特殊な構成要素の交換、ランダムな突然変異の生成、および能力の選択など、いくつかの手法が含まれます。「ギ酸とホルムアルデヒドはどちらも細胞壁を透過できるため、非常に適しています。細胞培養培地にギ酸を加えると、数時間後に生成されたホルムアルデヒドを無毒の黄色の染料に変える酵素が生成されます」とマレン氏は述べた。ナッターマン氏は説明した。
これほど短期間でこのような成果を上げるには、ハイスループット法を用いることが不可欠だった。そのため、研究者たちはドイツのエスリンゲンにある産業パートナーのFesto社と協力した。「約4,000回の試行錯誤を経て、収量を4倍にすることができました」とマレン・ナッターマン氏は語る。「こうして、バイオテクノロジーの主力微生物である大腸菌をギ酸上で培養するための基礎を築きました。しかし、現時点では、私たちの細胞はホルムアルデヒドしか生成できず、それ以上の変換はできません。」
マックス・プランク研究所の植物分子生理学研究所のセバスチャン・ウィンク氏と共同で、研究者たちは現在、中間代謝産物を取り込んで中心代謝に導入できる菌株の開発に取り組んでいる。同時に、同チームは、ウォルター・ライトナー氏が率いるマックス・プランク研究所化学エネルギー変換研究所のワーキンググループと協力し、二酸化炭素からギ酸への電気化学的変換に関する研究も行っている。長期的な目標は、電気生化学プロセスで生成された二酸化炭素からインスリンやバイオディーゼルなどの製品までを網羅する「万能プラットフォーム」を構築することである。
参考文献：Maren Nattermann、Sebastian Wenk、Pascal Pfister、Hai He、Seung Hwang Lee、Witold Szymanski、Nils Guntermann、Faiying Zhu「リン酸依存性ギ酸からホルムアルデヒドへのin vitroおよびin vivo変換のための新しいカスケードの開発」、Lennart Nickel、Charlotte Wallner、Jan Zarzycki、Nicole Pachia、Nina Gaisert、Giancarlo Francio、Walter Leitner、Ramon Gonzalez、およびTobias J. Erb、2023年5月9日、Nature Communications。DOI：10.1038/s41467-023-38072-w
SciTechDaily：1998年以来、最高のテクノロジーニュースをお届けしています。メールまたはソーシャルメディアで最新のテクノロジーニュースを入手しましょう。> 無料購読でメールダイジェストを配信
コールド・スプリング・ハーバー研究所の研究者らは、RNAスプライシングを制御するタンパク質であるSRSF1が膵臓で発現亢進していることを発見した。