私たちは、大きな問題を解決するために、しばしば最小の生命体に助けを求めます：微生物は食品や飲料の製造、病気の治療、廃棄物の処理、さらには汚染の浄化にも役立ちます。酵母やバクテリアは、化石燃料から伝統的に得られるバイオ燃料や化学製品を植物の糖から変換することもできます。これは、気候変動を遅らせるためのほとんどの計画の重要な構成要素です。今、ウィスコンシン大学マディソン校の研究者らは、利用されにくい植物繊維から同時に2つの化学製品を生産できるバクテリアを開発しました。そして、人間とは異なり、これらの多任務微生物は両方のことを同等にうまく行うことができます。
「私の知る限り、一つの微生物で同時に2つの貴重な製品を作ることができるのは初めてです」と、ウィスコンシン大学マディソン校のバクテリオロジー教授であり、グレートレイクスバイオエネルギー研究センター（GLBRC）のディレクターであるティム・ドノヒュー博士（Tim Donohue, PhD）は言います。
この発見は、2023年12月号の「Applied and Environmental Microbiology」誌に詳述されており、バイオ燃料をより持続可能で商業的に実行可能にするのに役立つ可能性があります。この論文のタイトルは「Production of Carotenoids from Aromatics and Pretreated Lignocellulosic Biomass by Novosphingobium aromaticivorans（アロマティック化合物と前処理されたリグノセルロースバイオマスからのカロテノイドの生産：Novosphingobium aromaticivoransによる研究）」です。
「原則として、この戦略は温室効果ガスの排出量を減らし、経済性を向上させます。一つのポットで2つの製品を作るために必要なエネルギーと温室効果ガスは、一つの製品をそれぞれのポットで作るために走らせるよりも少なくなるでしょう。」とドノヒュー博士は言います。
すべての分子を数える
化石燃料を持続可能な代替品に置き換える探求は、再生可能バイオマスから可能な限り多くの価値を抽出することにかかっています。石油化学製品と同様に、すべての分子が重要です：低容量、高価値の製品は、燃料をより手頃な価格に保つのに役立ちます。
最大の障害の一つは、リグニンと呼ばれる植物細胞壁の一部です。リグニンは、再生可能な芳香族炭素の世界で最も豊富な源ですが、その不規則な構造は、有用な成分に分解することを著しく困難にしています。
そのため、GLBRCの研究者らは、リグニンの多くの成分を消化でき、遺伝子的に修正しやすい比較的なバクテリア、Novosphingobium aromaticivorans（時には単にNovoと呼ばれます）を研究してきました。
2019年、研究者らは、ナイロンやポリウレタンのようなプラスチックの主要成分であるPDCを生産できるNovoの株を開発しました。最近では、ドノヒュー博士のラボのチームが、Novoが異なるプラスチック成分であるccMAを作ることを可能にする別の修正を発見しました。
しかし、そこで彼らは止まりませんでした。
「私たちは、2つの製品の生産だけで私たちの炭素排出問題を解決するわけにはいきません」と、研究に貢献し、主著者である最近の博士課程の卒業生、ベン・ホール博士（Ben Hall, PhD）は言います。
ドノヒュー博士のチームは、ゲノムモデリングを使用して、バイオマス芳香族から作ることができる潜在的な製品のリストを考案しました。リストの上位には、カロテノイドと呼ばれる有機色素のグループの一つであるゼアキサンチンがありました。
カロテノイドは、ニンジン、カボチャ、サーモン、さらにはフラミンゴにその特徴的な色合いを与えるもので、栄養補助食品、医薬品、化粧品として使用され、年間数十億ドルの市場価値があります。
研究者らは、Novoが市場価値の低い別のカロテノイドを生産するための遺伝子を持っていることを知っていました。細胞が複雑な分子を作る過程で、ゼアキサンチンはその価値の低いカロテノイドに至る過程の中間段階であると、バクテリアのゲノム配列に基づいて疑われました。問題は、より価値のある製品で消化組立ラインを停止させるために、正しい遺伝子を変更することでした。
研究チームは、特定の遺伝子を欠失させたり追加したりすることで、リグニンによく含まれる芳香族化合物を培養した際に、ゼアキサンチンや他の貴重なカロテノイド（β-カロテン、リコピン、アスタキサンチン）を生産する菌株を作製した。
次に研究チームは、ソルガムきびの茎を粉砕・処理した液からも同じカロテノイドを生産できることを示した。この液には多くの工業用細菌が消化できない芳香族化合物が含まれています。
一つのポット、二つの製品
次に、ホール博士（Dr. Hall）は、PDCとカロテノイドを同じ微生物で生成するために必要な遺伝子変更を組み合わせた場合に何が起こるかを考えました。
その結果得られた株は、PDCと目標のカロテノイドの両方を生産し、どちらの収量にも明らかな損失はありませんでした。さらに良いことに、バクテリアは自らの細胞内にカロテノイドを蓄積し、PDCを分泌しました。これは、PDCを含む溶液から分離しなければならないものです。
「私たちはすでに細胞を媒体から分離しています。今、私たちは両方から製品を出すことになります。」とホール博士は言います。
次のステップには、設計された株がカロテノイドとccMAを同時に生産できるかどうかをテストし、ドノヒュー博士が考えるように、そして工業条件での収量を改善するために株を工学的に改良することが含まれます。
これらの製品のそれぞれに対して利益がある市場が存在する間、ドノヒュー博士やホール博士が言うには、この発見の真の価値はこの生物学的プラットフォームに複数の機能を追加する能力にあります。
「私にとって、それは戦略と製品の両方です。これを実現した今、私たちは他の微生物シャーシを作り出して2つの製品を作ることができるかどうかを見る扉が開かれたと思います。」とドノヒュー博士は言います。
写真：UWマディソン大学の博士課程を最近修了したベン・ホールの研究により、ノボスフィンゴビウム・アロマティシボランス菌を改変することで、リグニンと呼ばれる植物細胞の利用されていない部分から2つの価値ある化学物質を同時に生産することが可能であることが示された
（Credit：Chelsea Mamott / University Wisconsinadison）：チェルシー・マモット／ウィスコンシン大学マディソン校）
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