人間が使用する燃料や化学物質の大部分は、化石炭素から作られています。バクテリアや酵母などの微生物による生物生産は、これらの持続不可能な供給源への依存から私たちを引き離す方法を提供するかもしれません.実際、微生物はすでに世界中で大規模に培養されており（醸造所を考えてみてください）、何世紀にもわたって専門家によって処理および処理されてきました.しかし、目的の化学物質を成長させて生産するためには、微生物に適切な原料を供給しなければなりません。彼らを養うために何ができるでしょうか?
近年、バイオファクトリーにおける原料としての砂糖の使用が劇的に拡大しています。しかし、生物生産のための糖の使用が増加するにつれて、その欠点を目の当たりにし始めます.まず、微生物バイオファクトリーで使用される砂糖は、食品や飼料には使用できません。私たちの栄養要件が拡大し続けているため、農業資源を生物生産に転用することは持続可能性が低くなり、食料安全保障が大幅に低下する可能性があります.さらに、生物生産のための農地利用の拡大は、自然の生息地と生物多様性を減少させ、環境に負担をかけます。
農業生産と競合しない代替原料、例えばリグノセルロースおよび藻類バイオマスが提案されています。しかし、これらの原料の処理は非常に難しく、費用がかかり非効率的な変換方法が必要です。さらに重要なことは、植物や藻類が光を遮断してバイオマスに変換する効率が非常に低く、この自然なプロセスを利用して微生物の生物生産を行うという非常に基本的な考え方に疑問を投げかけていることです.
では、代替手段は何ですか？理想的な微生物原料は、ほぼ無限の資源から直接得られ、環境で完全に利用可能です。より詩的に言えば、私たちは自然の「要素」から生物生産を導き出したいと考えています。水 - 水素当量を供給します。火 – 必要な推進力を提供する再生可能エネルギー (太陽光や風力など)。地球 – 微生物の成長に必要なミネラル、つまりその他の要素を表します。
これらの「要素」をどのように微生物に与えるのでしょうか?最近の論文で、微生物に成長に必要な炭素とエネルギーを提供するためのさまざまなアプローチを調査し、比較しました。エネルギーの観点から見ると、電気は優れた出発点となります。太陽エネルギーは化学プロセスを活性化するために直接使用できますが、電気への変換は非常に必要な柔軟性を提供します。つまり、太陽が輝いていないときは、風が吹いてタービンを駆動します。両方が利用できない場合は、水力エネルギーまたは地熱エネルギーが助けになる可能性があります。したがって、電力をエネルギー源として活用することで、完全に依存することなく、無数のさまざまな再生可能エネルギー源を活用できます。
電気を使用して、水から化学キャリアに同等の水素を移動できます。微生物は、担体から水素相当物を取り、それを使用して二酸化炭素をバイオマスと製品に変換できます。鉄イオンや硝酸イオンなどのいくつかの無機化合物は、そのようなキャリアとして機能します。さらに優れたアプローチは、電気を使用して、同等の水素を水から二酸化炭素に直接変換することです。得られた還元有機化合物は、炭素、水素当量、およびエネルギーの 3 つの必要な要素を「運ぶ」微生物原料として使用できます。
私たちの分析では、一酸化炭素とギ酸はどちらも一炭素分子であり、前者の化学プロセスと後者の生物学的変換の間の理想的な中間体として機能できることを示しています。しかし、一酸化炭素は溶解度の低い有毒で可燃性のガスですが、ギ酸は完全に溶解し、取り扱いや輸送が容易です。これにより、ギ酸は生物生産の特に有望な原料になります。一緒に、私たちは各分野の利点を活用する生産チェーンを想定しています。物理化学プロセスは、再生可能エネルギーを電気に、二酸化炭素をギ酸に、迅速かつ効率的に変換するのをサポートします。一方、生物学的プロセスは、後者の単純な原料を幅広い配列に変換するのに効果的です。複雑な製品の。
このビジョンを完全に実現するには、しばらく時間がかかります。電気化学プロセスのさらなる改善とは別に、生産チェーンが最大限の可能性を発揮するためには、ギ酸での微生物増殖のためのより優れた代謝ソリューションを設計および設計する必要があります.複数の微生物がギ酸を唯一の炭素およびエネルギー源として増殖できますが、微生物がこの増殖に使用する代謝経路のほとんどは、効率が制限されているか、極端な条件に制限されています.
私たちの研究室の主な目標の 1 つは、エンジニアリングのようなツールを使用して、ギ酸の生物変換を非常に高い効率で極端な条件下でサポートする新しい代謝経路を設計および実装することです。私たちは、これまでに設計した中で最も効率的な経路である還元グリシン経路を使用してギ酸で成長するために、バイオテクノロジー産業で生物生産プロセスに広く使用されている工学モデル微生物に特に取り組んでいます。完成すれば、これらの遺伝子操作された微生物は、再生可能に生産されたギ酸から付加価値のある化学物質を持続的にバイオ生産する道を開き、日常の商品を生産する方法を変えることができます.
これらの調査結果は、Current Opinion in Biotechnology というジャーナルに最近掲載された「Towards Sustainable Feedstocks:A guide to electronic doners for vacic carbon fixation」というタイトルの記事で説明されています。
この作業は欧州委員会によって資金提供され、eForFuel と呼ばれる EU コンソーシアム プロジェクトの一部です。この研究は、マックス・プランク分子植物生理学研究所のニコ・ジョアンヌ・クラッセンスとアーレン・バー・イーブン、ワーヘニンゲン大学のアイリーン・サンチェス・アンドレアとダイアナ・ジータ・スーザによって行われました。この研究
