キャサリン・ドレナン教授は化学と生物学の教授であり、微生物の複雑な化学について熱を込めて語ることがよくある。「微生物は優美で美しいと思います」と彼女は言う。もちろん、彼女は微生物の実用的な応用にも注目している。「手の届きにくい汚染箇所では、これらの微生物をバイオレメディエーションに使えるという点が気に入っています」と彼女は言う。「通常、こうしたデリケートな環境を浄化すると、そこに生息する生物の均衡が乱れてしまいます。しかし微生物は、化学の力を使って物事を浄化する自然な方法を提供してくれるのです。」
ドレナン氏と化学専攻の大学院生マイケル・ファンク氏は、微生物が成長と生存のために炭化水素を代謝しながらどのように分解するのかという細部を検証するチームの一員である。炭化水素は原油の天然の（かつ主要な）分子成分であるため、微生物は、微生物の炭化水素代謝プロセスが円滑に進む限り、原油流出やその他の汚染事例の後の浄化作業を支援しうる。そのプロセスの最初の段階では、微生物が炭化水素に化学的に作用してより反応性の高い分子を生成するが、一部の炭化水素は扱いが難しい。
炭化水素の不活性な性質を回避する方法をさらに探るため、ドレナン氏、ファンク氏、そして他の研究者たちは、ある微生物（脱窒細菌 Thauera aromatica）がトルエンという炭化水素を活性化させて分解する構造的な基盤を調べた。
これらの発見の詳細（未知の酵素構造のマッピングを含む）は、今夏、論文として The Journal of Biological Chemistryに掲載された。
「生物が炭素源を分解し、それを使って自らのエネルギーを生み出す仕組みを考えるとき」とドレナン氏は言う。「普通は、その炭素源を取り込んで引き離すと思うでしょう。しかしこの場合、まずより大きな分子を作るのです。その理由は、代謝に取り込んでエネルギーを得ようとしている物質があまりにも反応性に乏しいため、それを扱えるようにして有用にする何らかの方法を見つけなければならないからです。」
鍵となる組み合わせ
この分解プロセスを可能にする鍵となる組み合わせは、酵素ベンジルサクシナート合成酵素（微生物内に自然に存在する）と、基質フマル酸（同じく微生物内に存在する）を、トルエンの存在下で組み合わせることである。ベンジルサクシナート合成酵素は触媒として働き、トルエンとフマル酸の反応を促して、ベンジルサクシナートを生成する。トルエンがベンジルサクシナートに変換されることで反応性が高まり（前述のドレナン氏の説明のとおり）、代謝プロセスの最初の段階が可能になる。
ファンク氏は、この酵素がどのように反応を可能にするかを解明するまでの多段階のプロセスを振り返る。「数年前、私たちの研究により、何も結合していない状態のベンジルサクシナート合成酵素の構造が明らかになりました。それが最初のステップで、活性部位の全体的な構造を確認することでした。しかし、その酵素がどのように基質と結合するのかは、まだわかっていませんでした。」
ファンク氏とドレナン氏は、基質フマル酸を酵素に結合させることに成功した。フマル酸は2つのカルボキシル基を持ち、活性部位にぴったり合う。この2つの要素が揃ったところで、トルエンを結合できるようになるまで、酵素のさまざまな形態を試した。
トルエンのような炭化水素が、無極性（そのため通常は結合しにくい）性質にもかかわらず分解されうることを明らかにしたこうした発見は、バイオレメディエーション（生物を用いた廃棄物管理）におけるより体系的な取り組みにとって重要な出発点である、とファンク氏は言う。ただし同氏は、これが決して万能薬ではなく、まだ程遠いことを急いで指摘する。
「予想していなかったことの一つは、分子上の活性部位がいかに精密であるかということです」とファンク氏は言う。「この酵素［ベンジルサクシナート合成酵素］はトルエンを利用し、その分子の周りにすべてが非常に密に詰まっています。ですから、どんなものでも取り込めるわけではなく、その特定の分子に対して非常に特異的なのです。」
バイオレメディエーションとその先
ファンク氏によれば、これはバイオレメディエーションの実践に対してより大きな意味を持つ。「バイオレメディエーションを行うつもりなら、さまざまな種類の基質を分解できる、多くの異なる種類の酵素が必要になるでしょう。」
微生物が炭化水素を糧に繁栄するのは、研究室だけではない。「石油精製所の近くでは、微生物が大量に増殖し、石油会社がそれを喜ばないほどになることがあります。配管を詰まらせてしまうからです」とドレナン氏は言う。「これは、微生物によるバイオレメディエーションが機能しうるという考えを実際に裏付けるものです。そうした環境でも微生物が十分に繁栄し、物事を処理してくれるという証拠だからです。」
これはまた、ドレナン氏とファンク氏が論文で示した微生物構造に関する発見が、一つ以上の用途を持ちうることを示す証拠でもある。「［配管の侵食］が問題になってきたのは、生物が硫酸塩を硫化水素に還元するからです」とファンク氏は言う。「これは配管を腐食させる、本当にたちの悪い方法です。」
そして、石油精製所での配管の侵食は、一つのことしか意味しない。流出事故の可能性が高まるということだ。
この問題を念頭に、ドレナン氏とファンク氏は、彼らの構造に関する発見が、微生物の成長を促すよりも先に微生物の抑制に使われるかもしれないという皮肉を認めている。「この研究が、配管を腐食させないように生物を殺す阻害剤を生み出すだけに終わらないことを願っています」とドレナン氏は言う。「しかし、それが流出を防ぐのであれば、それは良いことです。環境を浄化するためには適量の微生物が必要ですが、実際に環境を汚染してしまうほど多くてはいけません。」
彼らの最新の発見がすぐにどのように使われるにせよ、ドレナン氏とファンク氏の微生物への情熱は、まだまだ終わりからは程遠い。とりわけ微生物のDNA配列解析は、刺激的なフロンティアである。「これらのDNA配列があれば」とファンク氏は言う。「特定の流出状況で微生物が何を分解できるか、また分解経路がないために何がすり抜けてしまったかのプロファイルを作成できます。配列情報は多くのことを教えてくれます。生物の集団全体について、はるかに大きな全体像を与えてくれるのです。」
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Francesca McCaffrey は MIT News に寄稿している。
画像：川を清掃する作業員。REUTERS/David Mercado
