低温でプラスチックを分解できる微生物を発見

クレジット: Unsplash の Nick Fewings による写真

一部の微生物はプラスチックを消化できる酵素を生成しますが、これらの酵素を工業規模で機能させるには通常 30°C 以上の温度が必要であり、コストがかかります。 スイス連邦研究所WSLの科学者らは、一部の生分解性プラスチックをはるかに低い温度で分解できる多数の細菌株と真菌株を発見した。 スイスアルプスの高地や極地の土壌から収集されたこれらの種類の寒冷適応微生物は、プラスチックリサイクルのための工業規模の酵素プロセスをコスト効率よく実現できる可能性がある。

現在WSLの客員科学者であるジョエル・ルーティ博士は、「今回我々は、高山および北極土壌の『プラスチスフェア』から得られた新規微生物分類群が15℃で生分解性プラスチックを分解できることを示した」と述べた。 「これらの生物は、プラスチックの酵素リサイクルプロセスのコストと環境負荷の削減に役立つ可能性があります。」 Rüthi氏は、「高山および北極の陸域可塑圏から単離されたプラスチック分解微生物株の発見」と題された研究チームの論文「Frontiers in Microbiology」の筆頭著者である。 研究チームは論文の中で、「我々の結果は、高山や極地に生息する微生物がプラスチック分解酵素を効率的に生産しており、それによって環境に優しい循環型プラスチック経済に向けた将来の取り組みに貢献する可能性があることを示唆している」と結論づけた。

世界の年間プラスチック生産量は依然として急速に増加しており、2020年には367メガトンに達したと著者らは書いている。 「従来のプラスチックの環境への残留、使い捨てプラスチックの過剰使用、廃棄物の不適切な管理が、重大な環境問題を引き起こしています。」 再利用とリサイクルに対する従来の機械的および化学的アプローチには「いくつかの重大な欠点」があると研究者らは続けた。 より持続可能なプラスチック経済のための代替アプローチには、バイオベースおよび生分解性プラスチックの使用、ならびに「微生物のプラスチック分解酵素を使用する新しいリサイクル戦略」が含まれると研究者らは提案した。

プラスチックを消化し、汚染への対処に役立つ生物を発見、培養、生物工学的に扱うことも、今や大きなビジネスとなっている。 しかし、これを行うことができる微生物はすでにいくつか見つかっていますが、その酵素が機能するためには加熱が必要であるため、産業用途には依然としてコストがかかり、カーボンニュートラルではありません。

考えられる解決策の 1 つは、酵素が低温でも機能する特殊な寒冷適応微生物を特定することです。 「しかし、低温に適応した微生物のプラスチック分解の可能性は、これまでのところほとんど研究されていない」と科学者らは述べた。 報告された研究のために、Rüthiらはグリーンランド、スバールバル諸島、スイスで、自由に横たわっている、または意図的に埋められたプラスチック（地中に1年間保管されていた）上で増殖する19株の細菌と15株の真菌株をサンプリングした。 スバールバル諸島のプラスチックごみのほとんどは、学生たちがフィールドワークを行って気候変動の影響を直接目撃したスイス北極プロジェクト 2018 中に収集されたものでした。 スイスからの土壌は、グラウビュンデン州のムオット・ダ・バルバ・パイダー山（標高2,979メートル）の頂上とヴァル・ラビルン渓谷で採取された。

科学者らは、単離した微生物を実験室の暗闇および15℃で単一株培養物として増殖させ、分子技術を使用して微生物を同定した。 その結果、細菌株は放線菌門とプロテオバクテリア門の13属に属し、真菌株は子嚢菌門と粘菌門の10属に属することが判明した。

次に研究者らは、一連のアッセイを使用して、非生分解性ポリエチレン (PE) と生分解性ポリエステル - ポリウレタン (PUR)、およびポリブチレン アジピン酸テレフタレート (PBAT) の 2 つの市販の生分解性混合物の滅菌サンプルを消化する能力について各菌株をスクリーニングしました。 ）およびポリ乳酸（PLA）。

これらのプラスチック上で 126 日間培養した後でも、どの微生物株も PE を消化できませんでした。 しかし、11 の菌類と 8 つの細菌を含む 19 菌株 (56%) は 15°C で PUR を消化できましたが、14 の菌類と 3 つの細菌は PBAT と PLA のプラスチック混合物を消化できました。 核磁気共鳴 (NMR) と蛍光ベースのアッセイにより、これらの菌株が PBAT ポリマーと PLA ポリマーをより小さな分子に切り刻むことができることが確認されました。

「試験した菌株の大部分が、試験したプラスチックの少なくとも 1 つを分解できることが判明したことは、私たちにとって非常に驚きでした」とリューティ氏は語った。 「いくつかの分類群（コリモナス属、クリベラ属、ラクネルラ属、テレボルス属など）がプラスチックを分解することが初めて示された」と科学者らは述べた。 「最も注目すべきは、試験した菌株は、以前に報告された微生物菌株よりも低い温度（15℃）で、分散したPURとポリエステルフィルムのecovio®およびBI-OPLを分解したことです。」

最も優れた成績を収めたのは、Neodevriesia 属と Lachnellula 属の 2 つの未特徴の真菌種でした。 これらの微生物は、PE を除く、試験したすべてのプラスチックを消化することができました。 「真菌株 800 (Neodevriesia sp.) および 943 (Lachnellula sp.) は、試験したすべての生分解性製品を分解し、プラスチック フィルム中の PBAT および PLA 成分の質量を減少させることが示されたため、さらなる研究の有望な候補です。純粋な PBAT ポリマーを効率的に加水分解しました」と研究チームは述べています。

また、結果は、プラスチックを消化する能力がほとんどの菌株の培地に依存しており、試験した 4 つの培地のそれぞれに対して各菌株が異なる反応を示すことも示しました。 「…我々は、培養条件がプラスチック分解に強い影響を与えることを実証した。この発見は、微生物株によって達成される分解速度の最適化に役立つ可能性があり、特に炭素と栄養素の含有量が制限されている自然環境におけるプラスチック分解にも影響を与える可能性がある」貧栄養の北極や高山の土壌で。」 研究チームはさらに、プラスチック分解微生物のスクリーニング検査では、少数の条件しか検査されないため、潜在的なプラスチック分解菌株のサブセットしか検出できない可能性が高いと指摘した。「一方、一部の菌株は、プラスチック分解微生物を発現させるために非常に特殊な条件を必要とする可能性がある」酵素。」

プラスチックが存在したのは 1950 年代以降であるため、プラスチックを分解する能力は、もともと自然選択の対象となった形質ではなかったのはほぼ間違いありません。 では、プラスチックを消化する能力はどのようにして進化したのでしょうか? 「微生物は、植物の細胞壁の破壊に関与する多種多様なポリマー分解酵素を生成することがわかっています」と、共著者でWSLの上級科学者兼グループリーダーであるビート・フレイ博士は述べた。 -病原性真菌は、植物ポリマーのクチンに似ているため、プラスチックポリマーを標的とするクチナーゼを生産する能力があるため、ポリエステルを生分解するとよく報告されています。」

Rüthiらは15℃でのみプラスチックの消化をテストしたため、これらの成功した菌株の酵素が機能する最適温度はまだわかっていない。 「しかし、試験した株のほとんどは4℃から20℃の間でよく生育でき、最適温度は約15℃であることがわかっています」とフレイ氏は述べた。 そして、著者らが論文で結論付けているように、「この研究は微生物によるプラスチック分解に関する知識を拡大し、低温活性プラスチック分解酵素の将来の発見のための基礎を提供する。同定された微生物株は、効率的なプラスチック分解酵素の開発のための貴重な資源として役立つ可能性がある」そして低温での持続可能なプラスチック廃棄物のリサイクル。」

「次の大きな課題は、微生物株によって生成されるプラスチック分解酵素を特定し、大量のタンパク質を得るプロセスを最適化することです。さらに、次のような特性を最適化するには、酵素のさらなる改変が必要になる可能性があります」とフレイ氏は付け加えた。タンパク質の安定性。」 著者らはさらに、「プラスチック分解を最適化する有望な方法には、原因となる酵素をコードする遺伝子の同定と、適切な宿主におけるこれらの遺伝子の異種発現が含まれる可能性がある」とコメントした。

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