Production, Purification and Characterization of Thermostable Amylase from Thermophilic Bacteria Isolated from Water and Sediments of Wanzaye Hot Spring, Ethiopia

工業製造の世界において、酵素は自然がもたらした道具として機能し、そうでなければ非常に長い時間がかかるか、あるいは極端な条件を必要とする化学反応を加速させます。これらの中でも、アミラーゼは特に価値があります。なぜなら、植物に含まれる一般的なエネルギー源であるデンプンを、より単純な糖へと分解するからです。これらの酵素は有用ではあるものの、多くは温度が上昇すると分解したり、働きを停止したりするため、熱を必要とするプロセスでの使用が制限されます。ここで、好熱性細菌の登場です。温泉のような極限環境に生息するこれらの微生物は、高温下でも安定し、活性を維持できる酵素を生成します。科学者たちは、食品加工から洗剤製造に至るまで、さまざまな産業の効率を向上させるために、これら強靭な生物学的触媒を活用しようと長年試みてきましたが、地熱活動が見られる多くの地域は、こうした特定の資源に関して依然としてほとんど未探索のままです。

エチオピアの研究者たちは、同国の北西部に位置する天然の地熱地帯であるワンザイ・ホットスプリング（Wanzaye Hot Spring）に注目し、その水や堆積物がそのような耐熱性酵素を生成できる細菌を宿しているかどうかを調査しました。研究チームは、涼しい亜湿潤気候に位置しながらも42℃の水が湧き出ているこの温泉からサンプルを採取しました。チームはサンプルを80℃まで加熱することで、通常の細菌や真菌を取り除き、強靭な胞子形成能を持つ好熱性微生物だけを残しました。これらの生存者の中から、20種類の異なる細菌コロニーを分離し、デンプンを分解する能力についてスクリーニングを行いました。その結果、8種類が強い活性を示し、WA7、WA10、WA11、WA12と名付けられた4つの特定の菌株が、より詳細な研究のために選定されました。これら4株はすべて、その回復力と保護胞子を形成する能力で知られるバチルス属（Bacillus genus）に属することが特定されました。

酵素を生産するために、研究者たちは固形発酵と呼ばれる手法を用いてこれらの細菌を培養しました。これは、微生物を液体中ではなく、固体の農業廃棄物の上で栽培する方法です。彼らは小麦ふすま、米ぬか、バナナの皮という3種類の異なる材料をテストしました。その結果、小麦ふすまが最も優れた選択肢であり、最高の酵素生産を支えることが示されました。チームは、温度を55℃、pHを中性の7に保ち、72時間の成長後に酵素を収穫するのが、細菌が最もよく成長し、最も多くの酵素を生産するための最適条件であると判断しました。細菌が役割を果たした後、研究者らは粗酵素混合物を抽出し、タンパク質を沈殿させるために塩を加え、不純物を除去するために洗浄するというプロセスを用いて精製を行いました。この精製ステップによって、活性酵素の濃度が高まり、より効果的なものとなりました。

精製された酵素は、その能力を理解するために一連のテストにかけられました。分析の結果、これらの酵素の分子量は約50キロダルトンであり、主に麦芽糖（マルトース）と呼ばれる種類の糖へとデンプンを分解することが明らかになりました。耐熱性に関するテストにおいて、これらの酵素は極めて強靭であることが証明されました。酵素は、特定の細菌株に応じて65℃から70℃の間でピーク時の性能に達しました。さらに驚くべきことに、40℃から80℃の温度範囲で1時間放置した後でも、酵素は元の活性の76.8パーセント以上を保持していました。また、これらは広範な酸性度においても安定性を示し、弱酸性から弱アルカリ性の条件まで良好に機能しました。

おそらく最も実用的な実証となったのは、エチオピアの主食作物である生のエンセ（enset）デンプンを用いた実験です。研究者らが精製された酵素を生のエンセ粉末と混合したところ、これら4株すべてにおいて、酵素がデンプンを発酵性糖へと70パーセント以上の効率で変換できることが分かり、最も優れた株は91パーセント近くに達しました。このことは、これらの酵素が生のデンプンを直接加工できる可能性を示唆しており、これはしばしば困難でエネルギー消費の激しいプロセスです。本研究は、ワンザイ・ホットスプリングが、産業的に重要な細菌の、価値がありながらこれまで活用されてこなかった供給源であることを結論付けています。小麦ふすまのような安価な農業廃棄物を用いてこれらの微生物を育てることで、研究者たちは、現代のデンプン加工産業が必要とする高温に耐えうる酵素を生産するための、コスト効率の高い方法を実証しました。これは、地域および世界の製造業に向けた持続可能な道筋を提示しています。