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空気をエネルギーに変える酵素を発見、新たなエネルギー源の可能性に期待

意外に思われるかもしれないが、他に食べ物がないような厳しい状況のとき、一部の土壌細菌は空気中の微量の水素をエネルギー源として消費することが出来る。

実際、バクテリアは年間7,000万トンもの水素を大気中から除去しており、このプロセスは私たちが呼吸する空気の組成を文字通り形成している。

一部の細菌が水素を消費してエネルギーを取り出すことができる酵素を単離し、微量でも水素を浴びると直接電流を発生させることができることを発見した。

この酵素は、将来、小型で持続可能な空気動力装置の動力源として大きな可能性を持っていることが、『Nature』誌の新しい論文で報告された。

空気を電気に変える秘密はバクテリアの遺伝子にあった

この発見をきっかけに、空気中の水素を消費する土壌細菌「Mycobacterium smegmatis」の遺伝子コードを解析した。

この遺伝子には、水素を消費してバクテリアのエネルギーに変換する分子機械の設計図が書き込まれているのだ。この機械は「ヒドロゲナーゼ」と呼ばれる酵素で、私たちはこれを略して「Huc」と名付けた。

水素は最も単純な分子で、正電荷を持つ2つの陽子が、負電荷を持つ2つの電子によって形成される結合によって結合されている。水素がこの結合を断ち切ると、プロトンは離れ、電子は放出される。

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Huc酵素は、バクテリアから分離された (Credit: M. smegmatis. Rhys Grinter)

そして、バクテリアの中では、この自由電子が「電子伝達系」と呼ばれる複雑な回路に流れ込み、細胞にエネルギーを供給するために利用される。

電子が流れることで電気が発生するわけだから、Hucは水素を直接電流に変換していることになる。

水素は大気中のわずか0.00005%しか存在しない。この低濃度の水素を消費することは、既知の触媒では実現できない困難な課題である。さらに、大気中に豊富に存在する酸素は、水素を消費する触媒の活性を低下させる。

細菌が空気中で生きていくための酵素を分離

私たちは、Hucがこのような課題をどのように克服しているのかを知りたいと思い、M. smegmatis細胞からHucを単離することにした。

そのためのプロセスは複雑だった。私たちはまず、細菌がこの酵素を作ることができるように、M. smegmatis の遺伝子を改変した。その際、Hucに特定の化学配列を追加し、M. smegmatis細胞からHucを単離することが出来た。

Hucを発見するのは簡単なことではなかった。数年の歳月をかけ、何度も実験に行き詰まりながら、ようやくこの独創的な酵素の高品質のサンプルを単離することが出来たのだ。

しかし、その苦労の甲斐あって、出来上がったHucは非常に安定している。80℃から-80℃の温度環境下でも、活動を停止することはない。

空気から水素を取り出すための分子設計図

Hucを単離した私たちは、この酵素がいったいどんな働きをするのか、本格的な研究を開始しました。空気中の水素を持続可能な電力源に変えることができるのか?

驚くべきことに、バクテリアから分離した状態でも、Hucは空気中の微量な水素よりもはるかに低い濃度で水素を消費できることが判明した。実際、ガスクロマトグラフというガス濃度を測定するための高感度な装置では検出できないほど微量の水素を摂取していたのだ。

また、Hucは酸素に全く阻害されないという、他の水素消費型触媒にはない特性も見出した。

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Huc酵素の原子構造マップ。(Rhys Grinter, CC BY-NC)

水素を電気に変換する能力を評価するために、電気化学と呼ばれる技術を用いた。その結果、Hucは空気中の微量濃度の水素を直接電気に変換し、電気回路に電力を供給できることが分かった。これは、水素を消費する触媒としては、前例のない驚くべき成果である。

私たちは、Hucがどのようにこのような働きをするのかを分子レベルで研究するために、いくつかの最先端手法を用いた。その中には、原子構造と電気経路を決定するための高度な顕微鏡法(極低温電子顕微鏡法)と分光法が含まれ、この方法で報告された中で最も高度に分解された酵素構造を生み出すために、限界に挑戦した。

酵素が空気を利用して、明日のデバイスを動かすかもしれない

この研究はまだ始まったばかりで、Hucの可能性を実現するためには、いくつかの技術的課題を克服する必要がある。

一つは、Hucの生産規模を大幅に拡大する必要があることだ。ラボではミリグラム単位でHucを生産しているが、これをグラム単位、ひいてはキログラム単位にスケールアップしたいのだ。

しかし、Hucは空気や添加した水素から持続的に電流を発生させる「天然の電池」のような機能を持つことが実証された。

そのため、Hucは、太陽光発電に代わる小型で持続可能な空気発電装置の開発に大きな可能性を持っている。

空気中の水素が供給するエネルギー量はわずかだが、生体情報モニターや時計、LEDグローブ、シンプルなコンピューターに電力を供給するには十分な量だろう。水素の量が増えれば、Hucはより多くの電気を作り出し、より大きな機器に電力を供給できる可能性がある。

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空気から水素を消費するHucのイメージ図。(Credit: Alina Kurokhtina)

また、水素を検知するためのHucベースの生体電気センサーを開発することで、非常に高い感度を実現することが出来る。Hucは、急成長する水素経済のインフラや医療現場での漏れを検出するのに非常に有効だ。

つまり、この研究は、土壌中のバクテリアがどのように自らを養うかという基本的な発見が、生命の化学を再考することにつながることを示しているのだ。最終的には、未来に向けた技術開発にもつながるかも知れない。


本記事は、Chris Greening氏、Ashleigh Kropp氏、Rhys Grinter氏らによって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Electricity from thin air: an enzyme from bacteria can extract energy from hydrogen in the atmosphere」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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