電気を通すことができる微生物の触手を見たことはありますか?欲しいですか？

制作：中国科学普及協会

著者: 劉 謙、馬 陸燕 (中国科学院微生物研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

私たち現代人は、夜の照明のための電灯、仕事のためのパソコンなど、常に電気がなければ生活できません。また、空での強力な放電現象である雷など、自然界にも電気は存在しています。他に何が電気を通すことができますか?

微生物！

1910年という早い時期に、英国の植物学者は、特定の微生物の培養液が電流を生成できることを発見し、世界初の微生物電池を開発しました。現在、科学者たちは電気に関連する微生物を数百種発見し、これらの微生物を電気化学的に活性な微生物と名付けています。

それだけでなく、科学者たちは、電気化学的に活性な微生物の中には、電子を長距離転送するのに役立つ魔法の「導電性触手」を持つものがあることも発見しました。これらの「導電性触手」は、微生物の導電性ナノワイヤです。

あなたは愛で電気を生み出し、彼らは電線で電気を伝導します

2005年、科学者たちは、細胞内から細胞外へ電子を移動させることができるこの「導電性触手」を、ジオバチルス・サルファリデューセンと呼ばれる微生物の中で初めて発見し、導電性ナノワイヤと名付けました。

**導電性ナノワイヤは、微生物自身によって合成される、直径がナノメートルの線状構造です。 **研究が継続的に深まるにつれ、科学者は好熱性発酵細菌、シアノバクテリア、ロドシュードモナス・パルストリス、硫酸還元細菌、アシディチオバチルス・フェロオキシダンスなど多くの微生物に導電性ナノワイヤを発見しており、導電性ナノワイヤが広範囲に存在することを示しています。

微生物の「伝導触手」

（写真提供：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert、翻訳：著者）

興味深いことに、科学者たちは、導電性ナノワイヤの種類と量は微生物の種類によって異なることを発見しました。現在わかっているように、Shewanella Oneida の導電性ナノワイヤは、細胞外膜と細胞周縁部の空間の延長で構成されています。

Geobacter sulfurreducens には 3 種類の導電性ナノワイヤがあり、いずれもタンパク質で構成されています。さらに、これら 3 つの導電性ナノワイヤの導電性は同じではありません。 1 本の導電性ナノワイヤの導電性は、別の導電性ナノワイヤの導電性よりも 1,000 倍強力です。

導電性は白ではない

導電性ナノワイヤは微生物の生命活動においてどのような役割を果たすのでしょうか?研究を通じて、科学者たちは導電性ナノワイヤには、微生物の生理的代謝に関与することと、微生物間の共生関係を媒介するという 2 つの主な機能があることを発見しました。

微生物ナノワイヤ

(画像クレジット: Sibel Ebru Yalcin/eurekalert)

微生物の生理的代謝に参加する: たとえば、Geobacter sulfurreducens の導電性ナノワイヤは、細胞内の電子を細胞から遠く離れた不溶性の鉄含有ミネラルに転送し、三価鉄を還元することで呼吸プロセスを完了し、生命活動に必要なエネルギーを蓄えます。このプロセスは鉄呼吸とも呼ばれます。

微生物間の共生関係の仲介: 導電性ナノワイヤは、微生物が隣接する他の微生物に電子を転送するのに役立ちます。例えば、Geobacter metalloreducing は、自身のエタノール酸化によって生成された電子を導電性ナノワイヤを介して Geobacter sulfurreducing に転送することができ、Geobacter sulfurreducing は得られた電子を使用してフマル酸を還元し、エタノールとフマル酸が豊富な環境で 2 つの微生物の共生を実現します。

科学者たちは、金属還元菌ジオバクターがエタノールの酸化によって生成された電子を導電性ナノワイヤを介してメタン生成菌に伝達できることを発見した。一方、メタン生成菌は得られた電子を使用して二酸化炭素をメタンに還元し、2つの微生物の共生を実現している。

微生物の導電性触手は役に立つ

導電性ナノワイヤに関する継続的な研究により、科学者はそれが高い導電性と安定性を備えていることを発見しました。そのため、バイオ新エネルギー、生体材料、環境修復の分野で大きな応用可能性を秘めています。

ナノワイヤーを生成する細菌

(画像クレジット: Sibel Ebru Yalcin/eurekalert)

1. 新しいバイオエネルギー

これは導電性ナノワイヤの最も有望な用途の 1 つです。科学者たちは、導電性ナノワイヤが微生物燃料電池やバイオバッテリーの開発に使用できることを発見しました。

微生物燃料電池は、微生物を利用して有機物中の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置です。科学者たちは、電気化学的に活性な微生物を培養するだけで電気を生成できるさまざまな装置を設計しました。同時に、科学者たちは、遺伝子工学を通じて特定の微生物における導電性ナノワイヤの発現を促進することで、微生物燃料電池の電力生産をさらに高めることができることも発見しました。

さらに、一部の科学者は、微生物によって生成された導電性ナノワイヤを収集して精製し、導電性ナノワイヤをベースにしたマイクロバイオバッテリーを製造しようと試みています。この電池の電流密度は固体金属電池よりもさらに高くなります。この発見は、導電性ナノワイヤがバイオ新エネルギーの分野で大きな発展の可能性を秘めていることをさらに証明しています。

2. 生体材料

Geobacillus sulfurreducens の導電性ナノワイヤは、溶液中や高温環境下でも優れた電子伝達能力を持ち、一定の機械的強度も備えているため、バッテリーやペースメーカーの回路部品など、環境に優しく汚染のない新しいバイオ電子デバイスの構築に適しています。科学者たちはまた、ジオバチルス・サルファレデューセンスの導電性ナノワイヤとポリビニルアルコールを使った複合材料の製造を試み、その複合材料はより高い熱安定性とより広い伝導範囲を持つことを発見した。

3. 環境修復

微生物導電性ナノワイヤは、環境中の有毒金属を変換および移動することができ、重金属汚染土壌の修復において重要な応用価値を持っています。例えば、ジオバクター・サルファリデューセンスの導電性ナノワイヤは、有毒な可溶性六価ウランU（VI）を不溶性の四価ウランU（IV）に還元することができ、還元された四価ウランは導電性ナノワイヤの表面に付着し、ウランの濃縮と固定化を実現します。シネコシスティス（シアノバクテリア）の導電性ナノワイヤは、重金属ヒ素の沈着を助けることができます。

結論

近年、科学者による導電性ナノワイヤに関する研究がますます深まり、微生物に対する人々の理解が広がっただけでなく、微生物と環境の相互作用についての理解も深まりました。同時に、バイオレメディエーション、バイオ新エネルギーなどの分野における微生物の応用に関する理論的基礎も築きました。

編集者：孫晨宇