古細菌が来た！将来、水素自動車は「微生物」で動くようになるかもしれない

トゥチョンクリエイティブ

地球温暖化などの環境問題が深刻化する中、クリーンな新エネルギーが急速に発展しています。誰もがよく知っている太陽エネルギーや風力エネルギーに加え、水素を燃料とする水素エネルギーも、水素の燃焼で生成されるのは貴重な水だけで、二酸化炭素の排出が全くないため、非常に重要なクリーンエネルギーです。しかし、水素の製造、貯蔵、輸送は技術的に難しく、コストも依然として高いままです。現在、生物学者による新たな発見により、古細菌を利用して水素を生成する新たな技術的道が開かれるかもしれない。

古細菌とは何ですか?表面的には細菌に非常によく似ており、小さな単細胞生物であるため、長い間古細菌と呼ばれてきました。当時の科学者たちは、それらが細菌よりも古いと信じていたからです。しかし、近年のゲノム配列解析技術の発達により、これらのいわゆる古細菌は実際には細菌と同じ種類の生物ではないことを示す証拠がますます増えています。そのため、生物学者によって古細菌と改名され、独立した古細菌の領域となりました。その反対側には細菌ドメインと真核生物ドメインがあります。植物、人間を含む動物、菌類などの一部の微生物など、私たちの日常生活で目にするあらゆる種類のマクロ生物はすべて真核生物の領域に属します。

古細菌に対する私たちの理解が非常に複雑な理由は、主に、古細菌が細菌に非常に似ており、真核細胞とはあまり似ていないためです。例えば、真核生物の細胞には核膜に囲まれた形成された核がありますが、古細菌や細菌には形成された核がないため、古細菌と細菌は総称して原核生物と呼ばれます。さらに、古細菌や細菌の細胞の大きさは真核細胞よりも大幅に小さくなります。古細菌と細菌のゲノムは環状ですが、真核細胞のゲノムは複雑な染色体に組み立てられています。

しかし、生物学に対する人類の理解が分子レベルまで深まるにつれ、古細菌のいくつかのコアシステムは真核生物に似ていることが発見されました。例えば、古細菌と真核生物の DNA はどちらもヒストンと呼ばれるタンパク質のクラスに巻き付いており、これにより構造の調節可能な安定性が高まりますが、細菌にはそのようなメカニズムがありません。より深いレベルでは、古細菌の転写メカニズム、DNA複製メカニズム、DNA修復メカニズム、およびこれらのメカニズムに関与する酵素は真核生物のシステムに近いものであり、細菌のシステムとはまったく異なります。

さらに、古細菌には独自の特徴がいくつかあります。例えば、細胞膜の構成は細菌や真核生物のそれとは異なります。

まさにこの横断的な類似性のために、科学者は古細菌、細菌、真核生物の進化の起源を解明するのが難しいのです。現在広く受け入れられている説では、真核生物は古細菌と細菌の偶然の融合によって生成されたと考えられています。しかし、この理論には説明できない部分があり、まだ研究が必要です。

起源が何であれ、今日の地球上では、古細菌は細菌や私たち真核生物と調和して共存しています。初期の研究で発見された古細菌は、主に深海の高圧・高温の熱水噴出孔や、極端な化学物質を含む環境など、いくつかの極端な環境に存在していました。しかし、ゲノム配列解析、特に微生物叢のメタゲノム配列解析の発達により、古細菌は実は地球上のさまざまな環境、さらには私たちの腸内にも広く存在していることがわかってきました。人間や牛などの他の哺乳類の腸内には、消化を助け、消化プロセスに風味を与えるメタン生成菌群が存在します。

極端な化学環境で生き残る古細菌は、独自のユニークな生存方法を持っていることが多いです。植物のように光合成を行う手段はなく、他の生物から供給される栄養素を得る手段もありません。そのため、これらの古細菌は化学反応からエネルギーを得る方法を発達させました。例えば、私たちにとって臭いがあり有毒な硫化物は、エネルギー源として使用することができます。科学者による最近の研究では、エネルギー生産プロセスで生成された余分な電子を排出するために、一部の古細菌が、電子と水中の水素イオンの結合を触媒して水素を生成するヒドロゲナーゼを進化させたことがわかった。

ヒドロゲナーゼはこれまでも細菌や真核生物で発見されてきましたが、古細菌は極限環境に生息するため、そのヒドロゲナーゼはより極限環境でも安定して機能することができ、ヒドロゲナーゼの産業応用に期待が寄せられています。将来、あなたが運転する水素自動車は古細菌によって駆動されるようになるかもしれません。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。著者: イェ・シェン

査読者: タオ・ニン、中国科学院生物物理研究所准研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司