再生可能エネルギーの新たな寵児？中国の科学者は「廃棄物を宝物に変える」ことで、100年来の問題を解決するかもしれない

1世紀以上もの間、科学者たちは特定の物質を「宝物」に変えようと試みてきました。

この物質はリグニンであり、地球上で最も豊富な有機ポリマーの 1 つであり、含有量はセルロースに次いで 2 番目に多いです。

しかし、彼らの努力は大部分が失敗に終わった。

今、この挫折感は変わりつつあるかもしれません。

最近、ワシントン州立大学、パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）とその協力者による研究チームが、リグニンを効果的に分解できる人工酵素を合成しました。

この研究は、この分野における大きな進歩であり、科学者らは生物学的触媒や化学的触媒の限界を真に克服できる新しいタイプの触媒を開発すると期待されている。

「天然ペルオキシダーゼ様活性を有する、高度に安定かつ調整可能なペプトイド/ヘミン酵素模倣物」と題された関連研究論文が、科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載されました。

（出典：ネイチャーコミュニケーションズ）

研究チームは、この新しい人工酵素が今後の研究でさらに改良され、全体的な変換率を高め、より選択的な製品を生産することができれば、より大規模な生産が可能になる可能性があると述べた。

リグニンとは何ですか？

リグニンが私たちの生活に与える影響を理解するには、まずそれがどのような物質（物）であるかを知る必要があります。

非常に学術的な答えは下の写真です。

（出典：Wikipedia）

理解できなくても大丈夫です。実際、理解できる人は多くありません。

簡単に言えば、リグニンは地球上で最も豊富な有機ポリマーの 1 つであり、植物の成長、発達、耐性において非常に重要な生物学的機能を持っています。

植物細胞壁の木質化の過程で、リグニンは細胞壁に浸透し、細胞壁構造に充填されます。これにより、細胞壁の硬度が高まり、細胞の機械的支持が強化され、機械組織の形成が促進され、植物体の強化と支持、水分伝導などの機能に役立ちます。

また、リグニンは架橋フェノールポリマーであり、芳香族高分子ポリマーに属するため、その熱分解生成物はバーベキューなどの燻製食品に独特の香りと味を与えます。

さらに重要なのは、リグニンが巨大な再生可能エネルギー源になる可能性があることです。

弟子は師匠よりも優れている

このようにリグニンは有用であるように思われますが、実際の生産活動においては「廃棄物」として扱われています。

例えば、製紙などの生産工程では、リグニンは空気に触れると黄色に変色するため、数千万トンものリグニンが「不純物」として扱われ、天然の水域に直接排出されるか、燃料や電気を生産するために非効率的に燃焼されます。実は、リグニンの有効利用率は20％未満で、資源として利用されるのはさらに少なく、かなりもったいないと言えます。

しかし、地球上で2番目に豊富な有機ポリマーであり、再生可能な芳香族化合物を提供できる自然界で唯一の非石油資源であるリグニンは、理論的には「廃棄物を宝物に変える」可能性を秘めています。

自然界では、菌類や細菌は酵素を使ってリグニンを分解し、さまざまな製品に変換することができます。たとえば、木に生える白色腐朽菌は、リグニンを分解して土壌生物が再利用できるようにします。

図｜木に生える白色腐朽菌。 （出典：PNNL）

さらに、化学分解では高熱が必要となり、生成されるエネルギーよりも多くのエネルギーを消費するため、天然酵素による分解プロセスは化学分解よりも環境に優しいと言えます。

しかし、自然界の天然酵素は時間の経過とともに分解するため、大規模な工業生産で使用するのは難しく、また非常に高価です。

過去数十年にわたり、天然酵素の働きに関する新たな知見が得られたことにより、研究者たちはこの新しい種類の人工酵素を設計する方法についても新たな知見を得ることができました。

この研究では、天然酵素にヒントを得て、研究チームは天然酵素の活性部位の周囲のポリペプチドをタンパク質のような分子（ペプトイド）に置き換えました。

これらのペプトイドは、その後、ナノスケールのトランジスタ（結晶チューブ）とシートに自動的に組み立てられます。

ペプトイドは、タンパク質の機能を模倣するために 1990 年代に初めて開発されました。これらは高い安定性などの特性を持ち、科学者が天然酵素の欠点を解決するのに役立っています。

この場合、天然酵素にはない高密度の活性部位が提供されます。

図 |論文の責任著者であるXiao Zhang氏とChun-long Chen氏は、新しい生体模倣ペプチド触媒によるリグニン分解生成物を研究しています。 （出典：PNNL）

研究者らは、この人工酵素を使用することで、これらの活性部位を正確に組織化し、その局所環境を調整して触媒活性を促進できると述べている。 「こうすることで、活性部位が 1 つだけではなく、活性部位の密度が高くなります。」

予想通り、人工酵素は天然酵素よりも安定しており、天然酵素の活性を破壊する温度である摂氏60度までの温度でも機能することができた。

実験により、この人工酵素はリグニンを効果的に分解し、バイオ燃料や化学薬品の生産に使用できる化合物を生成できることが示されました。

さらに、この技術は、航空バイオ燃料やバイオベース材料などの再生可能材料への新たな道筋を提供します。

研究者たちは現在、この十分に活用されていない資源を活用するために、この反応を加速させようとしています。

全体として、この研究は、環境に優しい方法を使用してリグニンを貴重な製品に変換する新たな機会を切り開きます。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30285-9

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cctc.201901480

https://www.pnnl.gov/news-media/synthesizing-nanomaterials-natures-blueprints

https://www.pnnl.gov/news-media/new-artificial-enzyme-breaks-down-tough-woody-lignin

https://en.wikipedia.org/wiki/リグニン