微生物を使って二酸化炭素などを原料にカーボンニュートラルな燃料を作る

微生物を使って二酸化炭素などを原料にカーボンニュートラルな燃料を作る テクノロジー

ワシントン大学(セントルイス)の研究者たちは、微生物を改良して、すぐに使えるバイオ燃料を作らせる新しい方法を発見しました。

生物学者とエンジニアのチームは、ロドシュードモナス・パルストリス TIE-1(TIE-1)という微生物を改良し、二酸化炭素、ソーラーパネルで発電した電気、光という3つの再生可能で自然に豊富な原料だけでバイオ燃料を生産できるようにしました。

得られたバイオ燃料であるn-ブタノール(ノルマルブタノール)は、カーボンニュートラルな燃料であり、ディーゼルやガソリンと混合して使用することができます。

本研究成果は、2021年11月3日発行のCommunications Biology誌に掲載されます。

本研究は、Arpita Bose准教授(生物学)を筆頭に、同准教授の研究室メンバー、およびワシントン大学マッケルビー工学部のエンジニアが共同で行いました。

「微生物は、周囲の環境から栄養分を得るために、さまざまな技術を進化させてきました。その中でも最も魅力的なのが、微生物電気合成(MES)です。私たちは、微生物の力を利用して、二酸化炭素を付加価値のある複数の炭素化合物に変換し、使用可能なバイオ燃料にすることができました。」とBose氏は言います。

この研究の筆頭著者は、マッケルビー工学部のエネルギー・環境・化学エンジニアリング学科の博士課程を卒業したWei Bai氏です。

Bai氏は、2015年から2020年にかけて、教養学部のBose氏の研究室で研究助手として働いていました。

Bai氏は現在、合成生物学で作られた持続可能な成分のメーカーであるAmyris社で科学者として働いています。

「私たちが作った燃料であるn-ブタノールは、エネルギー含有量が高く、燃焼せずに気化したり水に溶けたりする傾向が低いのです。これは、一般的なバイオ燃料であるエタノールと比較すると特に顕著です。」とBai氏は言います。

微生物電気合成を行う微生物は、MESリアクター内の負電荷を帯びた陰極に直接付着し、電気を「食べる」ことができます。

Bose氏の研究室のこれまでの研究では、TIE-1のような微生物が電子を使って二酸化炭素を固定する仕組みや、持続可能なバイオプラスチックの製造に利用できることが明らかになっています。

これらの微生物についての研究が進むにつれ、その潜在的な用途はますます有望になってきているとBose氏は述べていますが、この技術を産業規模で展開するには改良が必要であることも認めている。

持続可能なバイオ燃料の生産

これまでにも、シアノバクテリアなどの微生物を使って持続可能なバイオ燃料を生産することを検討している研究者はいました。

しかし、シアノバクテリアは光合成の際に酸素を発生させるため、バイオ燃料の合成には適していないと言われています。

TIE-1をバイオ燃料の生産に利用する方法を探るため、Bai氏とBose氏は、窒素を固定できない変異型の微生物を作りました。

そして、この変異体に、人工的なn-ブタノール生合成経路を導入しました。

この微生物は、窒素ガスを唯一の窒素源として成長することができませんでした。

そこで、このTIE-1はn-ブタノールの生産に力を注ぎ、電力消費量を大幅に増やすことなく、バイオ燃料の生産量を増やしたのです。

「今回の研究は、私たちの知る限り、太陽電池パネルを動力源とした微生物の電気合成プラットフォームを用いて、二酸化炭素を直接液体燃料に変換するバイオ燃料生産の初の試みです。微生物電解によるバイオプラスチックやバイオ燃料の工業規模の製造は、ソーラーパネルで生産された電力を利用して実現でき、完全に持続可能なサイクルを生み出すことができます。米国とEUは、微生物による電気合成を、持続可能性と気候変動の解決に向けた重要な技術として認識しています。最終的には、遠い過去に進化した微生物の代謝を利用することで、現代の最も差し迫った問題を解決するための新たな手法が生まれることを期待しています。」とBose氏は述べています。

Published by Washington University in St. Louis. n-Butanol production by Rhodopseudomonas palustris TIE-1, Communications Biology (2021). DOI: 10.1038/s42003-021-02781-z