ミミズの唾液の中に、驚異的な速度でプラスチックを分解する酵素が発見された

masapoco
投稿日
2022年10月6日 10:34
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プラスチックごみによる環境汚染は世界共通の問題であり、科学者たちはこれを解決するために様々な研究を行っている。

そんな中、『Nature Communications』誌に発表された新しい研究によれば、蜜蝋を食べるワックスワーム(Galleria mellonella)の唾液を利用すれば、世界で最も広く使われているプラスチックを分解できる可能性があるとのことだ。この驚くべき成果は、プラスチックごみ問題解決の大きな糸口になる可能性を秘めている。

プラスチック汚染は、世界的に大きな問題だ。我々は、年間約3億5000万トンから4億トンの分解不可能なプラスチックを生産し、500万トンから1300万トンが海に捨てられている。

ポリエチレン、またはPEと呼ばれるポリマーは、人類が毎日使うプラスチックの約30%を占めている。PEは一般的に、食品包装、ゴミ、食料品袋、電線絶縁材に使われている。

これまで、ポリエチレンの分解についてはあまり研究が進められていなかった。だが近年、一部の研究所では、細菌や菌類などの特定の生物の力を借りてPEを分解する方法が研究され、実際にいくつかの方法が発見されている。(生分解と呼ばれるプロセス)。しかし、生分解には数ヶ月を要し、通常は熱や放射線などの過酷な前処理が必要で、エネルギーも大量に消費される。

生分解の研究の一環として、科学者たちは昆虫の幼虫の腸から採取した微生物(ワックスワームなど)を使ってプラスチックの破壊を試みたことがある。しかし、その結果は決定的なものではなかった。

しかし、新しいアプローチでは、ミミズの唾液という身近な資源を利用することで、ポリエチレンが水路を汚染し、人間や生態系の健康に影響を与える前に分解することができるようになるかもしれない。

スペイン国立研究評議会の分子生物学者である、Federica Bertocchini氏と彼女のチームは、ワックスワームの幼虫の唾液を研究し、それがPEをより小さな分子に分解して分解することを発見した。このプロセスは数時間しかかからない。研究者の知る限り、これはポリエチレンの生分解技術としては最速である

この仕組みを解明するため、研究チームはガスクロマトグラフィー-質量分析計を用いて唾液を詳しく調べた。

そして、このプロセスに関与している2つの酵素を特定することができた。(ギリシャ・ローマの農耕の女神にちなんで、「ディメトラ(Demetra) 」と「セレス (Ceres)」と名付けた。)ディメトラとセレスは、混合物に酸素を取込、ポリマー中の分子を比較的短時間に分解する。

「プラスチックが劣化するためには、酸素がポリマー(プラスチックの分子)に浸透する必要があります。これは、通常、日光や高温にさらされることによって起こる酸化の最初のステップであり、最も耐性のあるポリマーの1つであるポリエチレンのようなプラスチックの分解を遅らせるボトルネックとなるものです。そのため、通常の環境条件下では、プラスチックが分解されるまでに数カ月から数年かかるのです。今回発見されたこれらの酵素は、前処理を必要とせず、室温で働き、非常に迅速に(わずか数時間の暴露で)ポリマーを酸化分解し、ポリエチレンプラスチックを分解できる最初で唯一の既知の酵素です。」と、Bertocchini氏は述べている。

生分解技術として最速であるだけでなく、科学者が知る限り、プラスチックを劣化させることが確認された動物由来の酵素は、これが初めてだ。この発見は、ポリエチレンのリサイクル方法を変える可能性があり、広く使用されている他の種類のプラスチックにも応用できる可能性がある。

このミミズの唾液のコンセプトは、低温「生物学的」リサイクルの一例だ。生物学的手法は化学的手法よりも時間がかかるものの、はるかに安価であり、プラスチック廃棄物の処理を外部に委託するのではなく、自分たちで行おうとする都市にとっては有効な手法となる。さらに、化学的リサイクル施設は、有害廃棄物を発生させ、有害な大気汚染物質を排出する可能性がある。そういった面で言っても、生物学的手法によるプラスチックごみの分解は、大きな可能性を秘めている。

ただし、すぐにでもワックスワームの大群にプラスチックごみを解体してもらおうという段階には、まだ至っていない。実際、Bertocchini氏によれば、彼女のチームは酵素をもっと大規模に再現する必要があり、またこのプロセスが他の種類のプラスチックに有効かどうかはまだわからないという。彼女はまた、酵素がどのようにして仕事を成し遂げるのか、より正確に理解したいと考えている。

また、リサイクルによる副産物の利用法も明確ではない。リサイクル技術で利益を得るためには、エネルギーや化学物質など、価値のある物質を排出する必要があるが、今回の概念実証研究ではその答えが得られていない。実は、これは研究者がユニークな新しいリサイクルコンセプトを考え出すときによくある障害なのだという。

Bertocchini氏は、今回の研究が、他の研究室が同様の研究を行うきっかけになることを期待している。「また、この研究が、昆虫という素晴らしい資源を持つ動物の研究を、バイオテクノロジーのツールとして、さらには基礎研究レベルで、より一層発展させることを期待しています」と、彼女は言う。

彼女は、唾液酵素を大規模・小規模のリサイクル・スキームに応用することを想定しているが、それにはさらに多くの作業と資金が必要である。

研究の概要

生物系によるプラスチック分解とその副産物の再利用は、プラスチック廃棄物の蓄積という世界的な脅威に対する将来の解決策となる可能性があります。我々は、ガレリア・メロネラ(ワックスワーム)幼虫の唾液が、最も生産量が多く頑丈なポリオレフィン由来のプラスチックの一つであるポリエチレン(PE)を酸化・解重合できることを報告する。この効果は、生理的条件下(中性pH)、室温で数時間暴露した後に得られます。ワックスワームの唾液は、ポリエチレンの生分解におけるボトルネックである最初の酸化段階を克服することができます。唾液の中には、同じ効果を再現できるフェノールオキシダーゼファミリーに属する2つの酵素が含まれていることが確認された。私たちの知る限り、これらの酵素はこのような能力を持つ最初の動物酵素であり、バイオリサイクルやアップサイクルを通じたプラスチック廃棄物管理の解決策への道を開くものである。



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