錬金術を再発明！微生物に頼るだけでお金持ちになれる？

微生物は肉眼では見えませんが、私たちの日常生活において非常に重要な役割を果たしています。例えば、私たちは太古の昔から、意識的か無意識的かを問わず、食物の中に微生物を利用してきました。ヨーグルト、納豆、キムチなどの発酵食品がその最たる例です。

ヨーグルトは微生物発酵の結果である

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しかし実際、現代の産業において、微生物は人間の食欲を満たす以上のことができるのです。現代の技術の助けを借りれば、微生物を使って衣服を織ったり（微生物セルロース） 、私たちが日常的に使用する道具を溶かしたり（微生物プラスチック） 、エネルギーとなるさまざまな油を絞り出したり（微生物燃料） 、さらには地中の鉱石から金を抽出したりすることもできるのです。

一般的な認識では、微生物と金には何の共通点もないように思えます。では、細菌はどうやって錬金術を行うのでしょうか?

錬金術の本質とは何でしょうか?

この質問に答えるには、まず「錬金術」の本質を理解する必要があります。

主に化合物の形で鉱石に蓄えられている鉄、銅、アルミニウムなどの金属とは異なり、金は化学的に不活性であり、環境中の一般的な酸素、二酸化炭素、水、さらには弱酸/弱塩基とも容易に反応しません。したがって、私たちが岩石鉱山で採掘する金は、ほぼすべてが純粋な金元素です。しかし、この金は金鉱石層全体の他の岩石成分の間に散在しており、化石を掘るように大きな金塊を直接採掘することは稀です。

したがって、錬金術は実際には、鉱石から散らばった金を何らかの方法を使用して「捕まえ」、それを再び金塊または金の粒に「結晶化」するプロセスです。

実際の操業では、少量の金を採掘するために大量の金鉱石が必要になることがよくあります。唐代の詩人白居易の詩「砂を渡り石を彫る、冬も春もなく一年中大変な仕事だ」は、当時の金銀採掘の難しさを詠んでいる。

採掘された金鉱石は、金の密度が高く、水で失われにくいという特性を活かして、細かい粉末に粉砕し、水で洗浄することで、金の選別と濃縮の目的を達成する必要があります。

現代の錬金術産業では、採掘プロセスを支援するためにいくつかの化学試薬が追加されます。化学試薬には毒性の強いシアン化ナトリウムが含まれています。したがって、伝統的な錬金術産業は比較的汚染の多い産業です。

微生物も「錬金術師」になれる

金の採掘と精錬のプロセスは非常に複雑なので、直接採掘できる天然の金、つまりナゲットゴールドは特に貴重です。地質学者は、これらのナゲット金は、金鉱石中の金粒子が金イオンに溶解した後、二次結晶化によって形成されるはずだと考えていますが、具体的なメカニズムは長い間解明されていませんでした。

非常に稀に、天然の金が塊金の形で現れることがあります。

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2006年、オーストラリアのアデレード大学のフランク・リース教授が主導した研究がサイエンス誌に掲載されました。この研究では分子生物学の手法を用いてオーストラリアの天然金の表面の生物学的成分を検出し、30種の細菌のDNAを特定した。細菌の1つであるラルストニア・メタリデュランスは、DNA陽性の金粒子すべてに見られ、天然の金の周囲の土壌には存在しなかった。

次に、研究者らは細菌培養物に金イオンを含む溶液を加え、明らかな金の沈殿を観察し、これらの細菌が天然の金の形成に関与していることを証明した。その後の数年間、世界の他の地域で行われた研究がこの見解を裏付け、地元の天然金の中にさらに多くの種類の「錬金術微生物」が発見されました。

微生物はなぜこのようなことができるのでしょうか?

科学者を困惑させているのは、金は栄養素ではなく、細菌にエネルギーを与えることができず、細菌の通常の生命活動に関与せず、金イオンは細菌に対して有毒でさえあるということです。では、なぜ「錬金術微生物」が天然の金の表面に集まり、そこで生き、金の堆積に関与するのでしょうか?

実際、自然界のさまざまな生物は、「最も適した」環境ではなく、「最も有利な」環境で生きていると言ったほうがいいでしょう。 「錬金術微生物」が金塊の上で生活し、金塊の「構築」に参加することを選択する理由は、彼らだけが金の毒性に耐えることができ、他の微生物が生息空間や周囲の栄養素をめぐって彼らと競争しないからです。

2018年、マルティン・ルター・ハレ・ヴィッテンベルク大学の微生物学者ディートリッヒ・H・ニース氏は、Metallomics誌に論文を発表し、「錬金術微生物」の代表であるCupriavidus metalliduransが、「CopA」と呼ばれる酵素を介して細胞外の金イオンを吸収されにくい金粒子に変換し、それによって自身の細胞への金イオンの侵入を阻止し、その過程で「錬金術」効果を生み出すことを明らかにした。 「CopA」を分離して金溶液に加えると、金粒子も生成されます。

この研究は、天然の金塊の形成における微生物の関与のメカニズムを明らかにし、生化学と金属冶金の分野で特に注目を集めています。

金の表面上の銅耐性細菌

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結論

「錬金術微生物」は、もともとそれほど「黄金」になりたかったわけではないかもしれませんが、生き残るために、金が豊富な環境に定着することを選択し、金の侵入と戦うための「シールド」を進化させようと努めます。これにより、「微生物錬金術」の秘密が明らかになると、彼らにとっては「廃棄物」であるはずの金と同じくらい目立つようになる。

一方、「微生物錬金術」の発見は、天然の金塊の製錬が微生物の働きであるらしいことを示しています。 「微生物錬金術」を大規模に適用できる実用的な技術に発展させることができれば、現在の錬金術業界に存在する問題を解決し、人類社会のより環境に優しく持続可能な発展を促進することに間違いなく役立つでしょう。

参考文献

[1]Reith F、Rogers SL、McPhail DC、他金のバイオミネラリゼーション：バクテリア性金上のバイオフィルム[J]。サイエンス、2006、313（5784）：233-236。

[2]Bütof L, Wiesemann N, Herzberg M, et al. Cupriavidus metalliduransにおける金のバイオミネラル化の中核における相乗的な金と銅の解毒作用[J]。メタロミクス、2018、10(2):278-286。

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: 王金宏 中国科学院微生物研究所

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者: Lin Lin、Jin Yufen (インターン)