1798 年に出版された「人口の原理に関するエッセイ」で、トーマス・マルサスは有名な人口トラップの概念を提唱し、食糧供給の不足による人口増加の終焉を仮定しました。それ以来、避けられないことを延期するというかなり良い仕事をしてきました.
20 世紀の初めに開発されたハーバー ボッシュ法は、無制限の量の窒素肥料を提供しました。前世紀半ばの緑の革命は、高収量の植物の変種を採用し、化学肥料を採用し、新しい栽培技術を導入することにより、世界中の農業収量を押し上げました. 1960 年から 2010 年の間、農業生産高は着実に増加し続けました。たとえば、この期間中の小麦の収量の平均増加率は ~170% でした。
しかし、2050 年までに約 100 億人の世界人口を養うには、この収量増加率では不十分です。この不十分さは、自然の生息地を犠牲にして耕作地を拡大する環境コストと、気候変動、食糧分配の不平等、農産物の他の産業への再分配（バイオ燃料など）の結果としての食糧安全保障の継続的な侵食によってさらに悪化します。社会経済的不安定。
世界的な飢饉を回避するには、比較的短期間で農業生産量を大幅に増やす必要があります。農業生産性を向上させる従来の方法は限界に近づいているように見えるため、このような収量の増加は、これまでほとんど手付かずのままであったプロセスを操作することによってのみ実現できます。これらの中で最も重要なのは、遮断された光を植物バイオマスに変換することです。このプロセスは、現在 2% までの低い効率で動作しています。
このような中央プロセスが非常に非効率的であることは驚くべきことです。また、何億年にもわたる膨大な選択圧の下にあると予想されるプロセスを改善できることも驚くべきことです。ただし、私たちが農耕栽培に使用する条件は、自然界で植物が経験する条件とはまったく異なることを覚えておく必要があります。自然淘汰は、私たちが提供する居心地の良い条件下で収量を増加させる可能性は低く、代わりに、自然界に見られるストレスの多い、資源が限られている条件下での成長を改善する可能性が最も高い.さらに、いじくり回しとして機能する進化は、かなり少数のコンポーネントに制限されており、その最適化には限界があります。一方、私たちエンジニアは、簡単に進化させることはできなかったが、特別に制御された条件下で生産性を高めることができるソリューションを検討することができます.
この概念に従って、近年のいくつかの合成生物学プロジェクトでは、「光反応」（光からのエネルギー貯蔵分子 ATP と NADPH の合成）または「暗反応」（二酸化炭素の固定）のいずれかを最適化することにより、植物収量を増やすことができました。 ATP と NADPH を使用して有機物に変換します。この成功は非常に励みになりますが、おそらくもっとうまくやれるでしょう。これまでのところ、エンジニアリングの取り組みは、既存の構成要素の小さなセットの活性を変更すること、または自然に発生する代謝経路を植物に移植することに集中していました。ただし、生物学的プロセスの組み合わせの性質を考えると、たった 1 つの新しいコンポーネントを追加するだけでソリューション スペースが劇的に拡大し、合成生物学の可能性が完全に実現されます。
より具体的に言えば、エンジニアリングを既存の酵素活性に限定せず、代わりに既知の酵素によってサポートされていない代謝変換も考慮すると、(生)化学的ソリューション空間を十分に活用して、最適なものを特定できます。炭素固定を促進する経路。このような革新的なソリューションを実現するには、酵素工学の分野と代謝工学の分野を組み合わせ、「合成代謝」アプローチを提供するために統合する必要があります。
炭素固定の効率を著しく制限する代謝プロセスの 1 つは、光呼吸です。光呼吸は、主要な炭素固定酵素であるルビスコと酸素との非生産的な反応によって生成される廃棄副産物 2-ホスホグリコレートのリサイクルに関与しています。必須の代謝タスクがあるにもかかわらず、本来の光呼吸はエネルギー消費の点で非効率的であり、最も重要なことは CO
光呼吸の悪影響を最小限に抑えるには、逆効果の CO2 の放出を防ぐ必要があります。 .ただし、これは既存の酵素と経路だけでは不可能です。
したがって、FET Open プログラムの下で欧州委員会が資金を提供する Future Agriculture プロジェクトでは、光呼吸の問題を解決するために「合成代謝」アプローチを適用することを目指しています。 インシリコから始めました CO2 を放出せずに光呼吸を置き換えることができる、既知の反応と新しい自然反応の両方で構成される有望な代謝経路を特定するための研究 .計算モデルを使用して、新たに特定された合成経路が、照射と CO2 の生理学的範囲全体で炭素固定率を潜在的に高める可能性があることを示しました。 . in vitroで コンポーネントでは、有望な経路の1つの新しい反応を触媒する酵素を進化させるために酵素工学技術を適用しました。具体的には、光呼吸中間体グリコール酸をグリコールアルデヒドと呼ばれる化合物に変換する 2 つの新しい酵素を設計しました。この化合物は、既存の酵素を使用して、炭素を失うことなく炭素固定プロセスに同化できます。
人工酵素を試験管内の既存の酵素と組み合わせることで、グリコレートがルビスコの基質であるリブロース 1,5-ビスリン酸に変換されることを示すことができ、炭素を失うことなく光呼吸を回避できることを示しました。もちろん、これで話は終わりではありません。現在、in vivo に取り組んでいます。 経路の実装。まず、モデル菌Escherichia coliに経路を実装する予定です。 そのため、簡単に操作できるホスト内でそのアクティビティをテストおよび最適化できます。この経路は、最も単純な光合成生物であるシアノバクテリアで発現され、炭素固定への影響をテストします。最後に、経路が高等植物に実装され、成長表現型が監視され、光合成と収量の大幅な増加が達成されることが期待されます.
このように、FutureAgriculture プロジェクトは、酵素工学と代謝工学を統合した「合成代謝」アプローチが、自然の最も中心的なプロセスの 1 つを書き換え、既存の酵素や経路を使用しては不可能な改善を提供できるという最初の兆候を提供します。この分野が進歩し続けるにつれて、自然の境界を破る重要なツールとしての「合成代謝」の出現を目の当たりにすることは間違いありません.
これらの調査結果は、ジャーナル Plant Science に最近掲載された、強化された植物炭素固定のための大胆な代謝設計というタイトルの記事で説明されています。 、最近全米科学アカデミー紀要に掲載された炭素保存光呼吸の設計と in vitro 実現というタイトルの記事。
この作業は、マックス プランク分子植物生理学研究所の Arren Bar-Even 氏、ワイツマン科学研究所の Dan Tawfik 氏、マックス プランク陸生微生物学研究所の Tobias Erb 氏によって行われました。
参考文献:
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