新しい生物学の中で

すべての生物の細胞は、同じ化学燃料であるアデノシン三リン酸 (ATP) によって動力を供給されています。 今回、研究者らは電気から直接ATPを生成する方法を発見した。これにより、食品から燃料、医薬品に至るまであらゆるものを生産するバイオテクノロジーのプロセスを加速できる可能性がある。

現代のエレクトロニクスベースのテクノロジーと生物学を結びつけるのは、非常に難しいことで知られています。 大きな障害の 1 つは、電源の供給方法が大きく異なることです。 私たちの機器のほとんどは電子で動作しますが、自然は ATP の化学結合が切断されるときに放出されるエネルギーに依存しています。 これら 2 つの非常に異なるエネルギー通貨間で変換する方法を見つけることは、多くのバイオテクノロジーにとって役立つ可能性があります。

遺伝子組み換え微生物はすでにさまざまな高価値の化学物質や治療に有用なタンパク質の生産に使用されており、間もなくより環境に優しいジェット燃料の生成、プラスチック廃棄物の分解、さらには巨大なバイオリアクターでの新しい食品の栽培に役立つ可能性があると期待されている。 しかし現時点では、これらのプロセスは、バイオマスを成長させ、それを糖に変換し、微生物に供給するという非効率なプロセスを通じて行われています。

現在、ドイツのマックス・プランク陸生微生物研究所の研究者たちは、生物学的プロセスを強化するはるかに直接的な方法を考案しました。 彼らは、酵素のカクテルを使用して電気をATPに直接変換できる人工代謝経路を作成しました。 そして重要なことは、このプロセスはインビトロで機能し、細胞本来の機構に依存しないことです。

「化学反応や生化学反応に直接電気を供給することは、真の画期的な進歩です」と研究を主導したトビアス・アーブ氏はプレスリリースで述べた。 「これにより、デンプン、バイオ燃料、タンパク質などのエネルギーが豊富な貴重な資源を、単純な細胞構成要素から、将来的には二酸化炭素からも合成できるようになります。 生体分子を利用して電気エネルギーを蓄えることも可能かもしれません。」

自然界では、ATP とその姉妹分子であるアデノシン二リン酸 (ADP) は、電池に近いものと考えることができます。 ATP は充電されたバッテリーのようなもので、化学結合にエネルギーを蓄えます。 細胞がそのエネルギーを消費する必要がある場合、分子の 3 つのリン酸基の 1 つが切断され、その化学結合に結合したエネルギーが細胞プロセスに動力を供給することができます。

このプロセスは ATP 分子を ADP に変換します。ADP は空の電池と考えることができます。 再充電するには、細胞は食物または光合成からのエネルギーを使用して、ADP 分子にリン酸基を追加し、ADP 分子を ATP に戻す必要があります。

しかし、この再充電プロセスは、細胞膜に埋め込まれたさまざまなタンパク質複合体が関与する複雑な一連の反応に依存しています。 このシステムを細胞外で機能するように再設計することは、人工膜内でさまざまなタンパク質を慎重に配向させる必要があり、人工膜が扱いにくく壊れやすいため、困難です。

Joule の論文で概要が説明されている新しいアプローチは、はるかにシンプルです。 「AAA サイクル」と呼ばれるこのサイクルには、溶液中で相互作用するわずか 4 つの酵素が関与します。 それをすべて可能にした重要な要素は、最近発見されたアロマティクム アロマトレウムと呼ばれる石油を分解できる細菌の中で、アルデヒド フェレドキシン オキシドレダクターゼ (AOR) と呼ばれる酵素を発見したことです。

この酵素は、電極から電子を受け取り、そのエネルギーをプロピオン酸塩と呼ばれる前駆体化学物質に付加されるアルデヒド結合に結合することができます。 次に、これは化学物質に作用するさらに 3 つの酵素を介してカスケードされ、最終的に化学物質に蓄えられたエネルギーを使用して ADP を ATP に変換します。 最後にプロピオン酸分子が飛び出し、これをサイクルにフィードバックすることができます。

スタンフォード大学の合成生物学者ドリュー・エンディ氏は、「シンプルなAAAサイクルは賢くてエレガントなアプローチだ…生物学が自然にATPを作る方法よりもはるかにシンプルだ」とサイエンスに語った。 同氏は、これが「電気生合成」、つまり細胞による有用な化学物質の合成に直接電力を供給するために電気を使用するというアイデアを可能にする重要な要素になる可能性があると付け加えた。