二酸化炭素からカロリーを製造する
中国の研究者は、工業廃ガスを食用澱粉に変換するプロセスを大幅に高速化し、2021年の画期的な手法と比べ生産性を10倍に高めた。中国科学院（CAS）が報告したこの進歩により、農地、作物、従来型農業に頼らない工業規模の澱粉生産が世界にとって現実味を帯びてきた。天津工業生物技術研究所（TIB）の科学者たちは、無細胞酵素系を改良し、二酸化炭素を複雑な炭水化物へ変換する速度を、現在では天然の光合成をはるかに上回る水準まで高めた。この開発は、世界的な食料安全保障のあり方を大きく変える可能性があり、従来型農業に伴う環境負担を回避しながら、必需の食品原料や工業用原料を生産する道を開くものだ。
蔡涛教授が率いる研究チームは過去5年間、科学誌Scienceで初めて発表した化学・生化学ハイブリッド経路の最適化に取り組んできた。2021年の当初の画期的成果では、CO2から澱粉を合成する速度がトウモロコシの8.5倍であることが示された。今回の改良で生産量はさらに10倍となり、効率はこれまで理論上の想定にとどまっていた水準に達した。人工澱粉同化経路（ASAP）は今、数千年にわたり人類文明を支えてきた農業の現状に挑む段階に入った。
合成光合成の化学
このプロセスは自然の仕組みを模倣しているが、植物の生育に内在する生物学的非効率を取り除いている。トウモロコシが成熟するまで数カ月待つ必要はなく、実験室では数時間で変換が完了する。この経路は11の主要反応で構成され、化学的段階と酵素的段階を緻密に組み合わせた一連の過程を通じて、気体の二酸化炭素を高分子の澱粉に変える。
まず、無機触媒が管理された条件下で二酸化炭素をメタノールまで還元する。この単純な分子が酵素反応の連鎖の構成要素として働く。研究チームは31種の異なる生物から酵素を調達・設計し、62の候補を選別・改良して、最も効果的な10種類の触媒を特定した。これらの生物学的な分子機械がメタノールを3炭素糖および6炭素糖に変え、それらを重合して、天然澱粉の主要2成分であるアミロースまたはアミロペクチンを生成する。
得られる合成澱粉は、化学的・物理的に農業由来の澱粉と同一である。実験分析でも組成と特性の一致が確認されており、人工製品は食品、医薬品、製紙、繊維、接着剤、生分解性プラスチックにおいてコーンスターチを直接代替できる可能性がある。またこの手法では澱粉組成を調整でき、消化速度や機能的特性を特定の工業ニーズに合わせて設計した品種を生み出せる可能性もある。
実験室から工場の生産現場へ
実験室での成功を商業的に成立する技術へ転換する作業は、科学的突破そのものよりも難しい課題を伴う。蔡涛教授は中国科学報のインタビューで、実証段階から工業応用へ進むには、大きな経済的障壁を克服する必要があると説明し、スケールアップの難しさを認めた。
ゼロから1へ進むのは難しい。コストを下げるのは難しい。最終的に工業応用を実現するのはさらに難しい。それでも我々は困難に立ち向かわなければならない
最大の障壁は酵素コストだ。2021年の当初の系では、主要な酵素1種類だけで材料費全体の半分を占めていた。チームはこのボトルネックの解消に重点的に取り組み、人工知能を使ってより安定で効率的な酵素変異体を選別するとともに、生物学的触媒を再利用可能にする方法を開発した。これらの改良により、反応効率を維持したまま必要な酵素の量を大幅に減らすことができた。
研究者らは反応条件も最適化し、エネルギーコストを削減した。プロセスは管理された実験室条件で稼働するため、天候、季節、気候変動の影響を受けずに収量を予測できる。この一貫性は、干ばつ、洪水、害虫が年間生産量を壊滅させ得る農業生産と鮮やかな対照をなす。
農業経済の再定義
潜在的な資源節約は、単なる効率指標を超える。TIBチームの試算によれば、1立方メートルのバイオリアクター1基で、約3分の1ヘクタールのトウモロコシ畑に相当する年間澱粉量を理論上生産できる。生産コストを従来農業と競争できる水準まで下げられれば、現在、澱粉生産に充てられている耕地と淡水の90％以上が不要になる可能性がある。
この土地利用の変化は、世界の農業に重大な影響を与える。現在、工業用澱粉生産はほぼ全面的にトウモロコシに依存しており、この作物は広大な耕地、集約的な灌漑、大量の肥料と農薬を必要とする。世界人口の増加と気候変動による農業生産量への脅威が進む中、限られた農地をめぐる食用作物と工業用原料作物の競争は激化している。
TIB初代所長の馬延和は、今日でも通じる2021年の声明で、この研究を推進するビジョンを示した。産業化はプロジェクトの最初の理想であると同時に究極の目標だと述べ、開発上の困難に直面しても取り組みを放棄しないと強調した。
炭素循環への影響を考えれば、環境面の便益はさらに大きくなる。このプロセスは二酸化炭素を大気中に放出するのではなく、原料として消費する。再生可能電力で稼働させれば、炭素負の澱粉生産を実現し、温室効果ガスを大気から積極的に除去しながら価値ある商品を生み出せる可能性がある。同じチームが2023年にScience Bulletinで発表した研究では、この系が天然の植物系より3.5倍高いエネルギー効率と、23倍速い合成速度を達成できることが示された。
代替的な生物学的経路
酵素を用いる手法が大きく報じられているが、並行して行われる研究では、二酸化炭素から澱粉に至る他の実行可能な経路も示されている。科学者たちは、組み換え酵母、特に油脂蓄積性菌であるYarrowia lipolyticaを使い、「澱粉豊富マイクログレイン」と呼ぶ製品を生産する代替手法を開発した。
この生物学的手法は酵母の代謝を再構成し、細胞乾燥重量の最大47％に達する澱粉を蓄積させる。澱粉生合成経路と糖新生経路を組み替え、細胞の形態を操作して大きさを増すことで、研究者らは従来の作物栽培のおよそ50倍の時空間生産性を達成した。酵母法では酢酸が利用されるが、酢酸は再生可能電力を用いて二酸化炭素から電気合成できるため、炭素負の食品生産に向けたもう一つの経路となる。
組み換え酵母は酢酸と組み合わせることで藁などの農業廃棄物を利用でき、セルロースを食用澱粉に変換する道を開く。この能力は、作物残渣が十分に利用されていないという別の農業課題にも対応する。酵素を用いる手法と微生物を用いる手法は方法論的に異なるが、どちらも食品生産を従来型農業から切り離すという共通の目標を持つ。
国内の背景と世界的な含意
中国が合成澱粉技術に投資するのは、国内で切実な課題に直面しているためだ。中国は、世界最大の人口を、一人当たりに限られた農地と水資源で養わなければならない。農業活動は、肥料生産、機械の燃料消費、稲作によるメタン放出、エネルギー集約型の灌漑システムを通じて、国内の炭素排出量に大きく貢献している。
2005年から2021年までの最近のデータは、中国が農地経営の大規模化と専門サービスの共有を組み合わせる二重規模の農業管理を進め、生産量を維持しながら炭素強度を下げてきたことを示す。しかし、気候変動が深刻化し、耕地の劣化が進む中では、これらの改善が不十分となる可能性がある。合成澱粉は補完的な戦略となり、炭水化物の工業需要を満たしながら、何百万ヘクタールもの土地を生態系回復や食用作物の栽培に振り向けることを可能にする。
この技術は中国のより広範なエネルギー転換とも整合する。国が再生可能電力の発電を拡大し、電力部門の排出を減らすにつれ、クリーンエネルギーの利用可能性によって炭素回収・利用技術の実現性が高まる。CO2から澱粉へのプロセスにはエネルギー投入が必要で、特に最初のメタノールへの変換と水の電気分解による水素生産に要する。太陽光や風力で稼働した場合、この系は電気エネルギーを化学結合に実質的に蓄え、食品を媒体とするエネルギー貯蔵の一形態を生み出す。
要点
- 天津工業生物技術研究所の中国科学者らは、2021年の画期的手法と比べ、二酸化炭素から澱粉への変換生産性を10倍に高めた。
- この人工プロセスは11段階の酵素反応を用いてCO2を農業製品と同一の澱粉に変換し、その速度は現在、天然のトウモロコシによる合成のおよそ85倍に達する。
- 1立方メートルのバイオリアクターは、理論上、約3分の1ヘクタールのトウモロコシ畑の年間澱粉生産量に匹敵し、従来の澱粉生産で使われる土地と水の90％以上を節約できる可能性がある。
- 研究チームは人工知能を使って酵素を最適化しコストを下げることで、商業的工業応用への主な障壁に対処している。
- 組み換え酵母を用いた並行研究は、電気合成した酢酸を原料とし、作物栽培の約50倍の空間的生産性を持つ代替の生物学的経路を提供する。
- この技術は農業の炭素排出を減らし、農地をめぐる食用作物と工業用作物の競争をなくし、再生可能エネルギーで稼働すれば炭素負の製造経路を提供できる可能性がある。
