バイ菌を使ったプラスチックごみのリサイクル

ポリエチレンテレフタレート（PET）は、水ボトルや合成繊維、食品包装など、よく使われるプラスチックの一種だよ。1990年代からPETの需要が急増して、その結果、環境に分解されないPET廃棄物が大量に出てきちゃった。実際、2015年時点で、63億トンのプラスチック廃棄物の約80%が埋立地に行ったり、自然に散らばっちゃってるんだ。PETの生産は化石燃料に依存してて、再生不可能な資源だから、環境問題も増えていくばかり。

この問題を解決するために、科学者たちはPETをリサイクルするバイオテクノロジー的な方法を探ってるんだ。特に注目されてるのが、PETをよりシンプルな部分に分解できる特定の酵素の使い方。PETaseっていう酵素があって、PETを二つの化合物、ビス（2-ヒドロキシエチル）テレフタレート（BHET）とモノ（2-ヒドロキシエチル）テレフタレート（MHET）に変換するのに有望なんだ。もう一つの酵素、MHETaseはMHETをエチレングリコールとテレフタル酸に変えることができるんだ。特定の細菌みたいな小さな生物がこういうシンプルな化合物を食べ物として使えるから、バイオレメディエーションを通じてプラスチック廃棄物の問題を解決する道が開けるかもしれない。

#エチレングリコール：便利な化合物

エチレングリコールはアルコールの一種で、PETの原料として使われるだけじゃなく、冷却液としても使われてるんだ。2022年には約5700万トンのエチレングリコールが生産されたんだよ。微生物はエチレングリコールをエネルギーや成長に使えて、酸素があるときでもないときでも分解できるんだ。

いろんな細菌はエチレングリコールを処理する方法が違うんだ。例えば、Mycobacterium sp.はエチレングリコールをアセトアルデヒドに変えて、さらにアセテートにするんだ。別の細菌、Acetobacterium woodiiも同じようにエチレングリコールを処理する。だけど、ほとんどの細菌はエチレングリコールをまずグリコールアルデヒドに変えて、それからグリコレートやグリオキシレートに進むっていう、重要な中央代謝過程の一部を持ってるんだ。

#エチレングリコールの代謝経路

細菌はエチレングリコールを分解する独自の経路を持ってる。最も一般的なルートは、エチレングリコールをグリコールアルデヒドに変えて、それからグリコレートに変えるってやつ。そのグリコレートは二つの主要な経路に進むことができて、中心代謝に入るグリセレート経路や、β-ヒドロキシアスパラギン酸サイクルを経由することができる。

グリオキシレートをネットアシミレーションするための二つの経路が確認されてる。最初の経路はグリセレート経路で、二つのグリオキシレート分子を一つの2-ホスホグリセレート分子に変えるけど、その過程で二酸化炭素を放出しちゃうんだ。もう一つのβ-ヒドロキシアスパラギン酸サイクルは、二つのグリオキシレート分子をオキサロ酢酸に変える、二酸化炭素を放出しないより効率的なルートなんだ。効率的だから、このβ-ヒドロキシアスパラギン酸サイクルはモデル植物や細菌に導入されて、炭素処理が強化されてるんだ。

#パラコッカス・デニトリフィカンスに関する研究

この研究では、土壌細菌のパラコッカス・デニトリフィカンスに焦点を当てたんだ。この細菌はエチレングリコールを唯一の炭素とエネルギー源として効率よく成長できるんだ。研究の目的は、P.デニトリフィカンスの中にエチレングリコールを分解するのに役立つ酵素を見つけることだったんだ。

細菌の成長をテストした結果、エチレングリコールのいろんな濃度で成長できて、400 mMでの成長率が最高だったけど、グリコレートやグリオキシレートを使ったときより成長が遅かったよ。

どの酵素が働いているかを見つけるために、科学者たちはエチレングリコールで成長したときとグリオキシレートで成長したときのタンパク質を分析したんだ。そしたら、エチレングリコールを使ったときに代謝に関わる多くの酵素の数が減ってるのがわかった。特定の遺伝子クラスターがあって、二つの重要な酵素、EtgBとEtgAが見つかったんだけど、どっちもNADという分子に依存してるんだ。

#EtgBとEtgAの特性

研究の結果、EtgBはエチレングリコールをグリコールアルデヒドに効果的に変換するアルコール脱水素酵素であることがわかった。経路の次のステップでは、EtgAがグリコールアルデヒドをグリコレートに酸化する役割を果たしてて、この変換に強い活性を示してるんだ。

研究者たちは、これらの酵素の構造を高度なイメージング技術を使って調べたんだ。その結果、酵素がそれぞれの基質を処理するのに適していることがわかったし、構造のちょっとした変化が効率を高める可能性があることもわかった。

#EtgCの役割と転写調節因子EtgR

研究では、機能が不明な小さなタンパク質EtgCも調査されたんだ。この遺伝子を欠いた細菌の株を作ってみたところ、EtgCを取り除いてもエチレングリコールでの成長には大きな影響を与えなかったんだけど、低酸素環境では細菌が苦労することがわかったから、EtgCがこういう条件下での役割を果たしてるかもしれないね。

重要な発見は、エチレングリコールが存在するときにetg遺伝子クラスターの発現を活性化する転写調節因子EtgRだったんだ。EtgRを削除すると細菌がエチレングリコールで成長する能力が大幅に損なわれることがわかって、代謝経路において重要な役割を果たしていることが確認されたんだ。

#適応ラボ進化

一連の実験を通じて、研究者たちはP.デニトリフィカンスにエチレングリコールに適応するように十世代かけて進化させたんだ。このプロセスによって、成長率が向上した株が生まれたよ。ゲノム分析でetgR遺伝子の変異やバリエーションが見つかって、etg遺伝子クラスターの発現レベルが向上した可能性があることがわかったんだ。

進化した株は一貫してEtgAとEtgBの活性が高くて、これらの酵素が細菌がエチレングリコールで効率よく成長する鍵であることが確認されたんだ。

#etg遺伝子クラスターの分布

etg遺伝子クラスターの使用がどのくらい広がっているかを評価するために、科学者たちは他の種で類似の遺伝子を探したんだ。そしたら、関連するクラスターが多くの種類の細菌に存在することがわかった。一部の種は全体のetg遺伝子クラスターを持っていたけど、他の種はそのバリエーションを持ってたんだ。

これは、異なる細菌間で共通の代謝能力があることを示していて、P.デニトリフィカンスを研究することで得た知識が他の細菌がエチレングリコールを利用する仕組みを理解するのに役立つかもしれないね。

#エチレングリコールの同化に関する結論

エチレングリコールは多くの用途で使われる一般的な分子だけど、微生物バイオテクノロジーの原料としての可能性も秘めてる。この研究はP.デニトリフィカンスがエチレングリコールを効果的に分解できることを強調してて、一連の酵素と規制システムのおかげで、このアルコールが存在する環境で適応して成長できるんだ。

代謝経路やEtgB、EtgAといった重要な酵素の役割を理解することで、将来的にはPETをリサイクルしたり、エチレングリコールを価値のある製品に変えるバイオテクノロジー的な応用が期待できるよ。こうすることで、プラスチック廃棄物管理における持続可能な取り組みに貢献できるんだ。

今後の研究は、これらの酵素やバイオカタリシス、遺伝子改良への応用についてもっと明らかにしていく予定で、環境の課題に対する革新的な解決策を切り開く道を拓いていくんだ。