研究者らは光を集めて炭化水素を作る酵素を発見した

微生物を大量に培養するのは簡単です。しかし、それらの微生物を何か有用なものに変換するのははるかに困難です。例えば、私たちは窒素欠乏状態になると、蓄えたエネルギーのほとんどを脂肪に転換するように藻類を遺伝子操作しました。脂肪は炭化水素と化学的に類似しているため、バイオ燃料の製造に役立つ可能性があります。しかし、「似ている」だけでは十分ではありません。燃料として使用する前に、脂肪を加工する必要があります。

しかし、一部の研究者は、太陽光のみを用いて、生物学的に脂肪を直接炭化水素に変換する方法を発見したかもしれない。彼らは、脂肪を長鎖炭化水素に変換する触媒酵素を特定した。この長鎖炭化水素は、それ以上の改変を加えることなく燃料として利用できる可能性がある。

脂肪 vs. 燃料

ガソリンは、水素と炭素のみを含む分子である様々な炭化水素の混合物です。最も単純な炭化水素は直鎖状で、炭素原子を骨格とし、各炭素原子は最大2つの他の炭素原子と結合しています（各炭素原子には2つまたは3つの水素原子も結合しています）。製油所で行われる化学処理により、ガソリンは主に分岐炭化水素を含み、一部の炭素原子は3つまたは4つの他の炭素原子と結合しています。

脂肪（専門的には脂肪酸）は、ほぼ炭化水素ですが、完全には炭化水素ではありません。脂肪は長い炭素原子の直鎖を持ちますが、末端の炭素原子の1つが2つの酸素原子と結合しています。これは、20個以上の炭素原子からなる炭素鎖にとっては比較的小さな変化のように見えるかもしれませんが、酸素の存在は分子の化学的性質を根本的に変化させます。脂肪は固体を形成しやすくなり、水と混ざりやすくなり、弱酸になります。これらの特性により、脂肪は内燃機関での使用には適していません。

明らかな解決策は、これらの酸素に結合している末端炭素を切り落とすことです。しかし残念ながら、化学的な観点から見ると、その炭素への結合は、鎖のさらに下流にある他の結合よりも強固です。つまり、ほとんどの化学反応は、鎖の途中のどこかでランダムに切断してしまうだけであり、これはあまり有効ではありません。酸素を除去するための代替手段は、通常、複数のステップを必要とし、それぞれにエネルギーの投入が必要で、効率は100%未満です。

最後の文が「常に」ではなく「傾向がある」と書かれていることに注目してください。昨年、フランスの研究者たちは、特定の藻類が脂肪を直接炭化水素に変換できることを発見しました。彼らの新しい論文では、これらの藻類がなぜそのようなことができるのかを解明した方法が説明されています。

光あれ

この変換プロセスは、生物学の観点からも興味深い可能性を秘めていました。なぜなら、光を入力として利用しているように思われたからです。地球上のほぼすべての生命は直接的または間接的に太陽光に依存していますが、生命が用いる化学反応のうち、光を入力として必要とするものは驚くほど少ないのです。文献を調べたところ、合計3つの反応が見つかりました。そのうち2つは光合成に利用され、3つ目は損傷したDNAを修復するものです。もし脂肪変換プロセスが光をエネルギー源として利用しているのであれば、生物学にとって大きなニュースとなるでしょう。

この謎を解明するため、フランスの研究者たちは昔ながらの生化学の手法を用いました。藻類を採取し、粉砕した後、その内容物を分子量や電荷などの異なる化学的性質に基づいてろ過する様々な物質に通しました。こうして得られた様々なタンパク質溶液には、数十から数百種類のタンパク質が細胞の内容物の一部分として含まれていました。

研究者たちは、これらの各分画について脂肪変換活性を調べた。最終的に、活性を持つ分画は3つ見つかった。1つは42種類のタンパク質、1つは93種類のタンパク質、そしてもう1つは709種類のタンパク質を含んでいた。これらのタンパク質をそれぞれ特定したところ、3つの分画すべてに10種類のタンパク質が含まれていることがわかった。これらのタンパク質のうち9種類はよく知られており、その働きも分かっていた。10種類目は謎だったため、研究者たちはこれに着目した。

研究者たちはその遺伝子を特定し、細菌内で機能するように改良しました。この遺伝子を細菌に導入すると、脂肪を炭化水素に変換することもできました。さらに、赤色光と青色光を切り替えることで、変換のオン/オフを切り替えることができました。この反応には青色光が必要だったのです。さらに、このタンパク質を精製し、特定の同位体で炭素を標識した脂肪を与えました。この同位体は反応によって放出された二酸化炭素中に検出されたため、酵素は酸素と結合した炭素を切り落としているだけであることが確認されました。