Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

環境中で自然に分解されるプラスチックは、埋立地や海洋を塞いでしまう残留性の高い素材に代わるものとして、長年科学者たちの目標となってきました。最も有望な候補の一つが、ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）と呼ばれる生分解性プラスチックのファミリーです。これらは研究室で作られる合成化学物質ではなく、特定の細菌が、必要以上の食物を手にしたときに作り出す天然の貯蔵物質です。これらの細菌を、細胞内にプラスチックの顆粒としてエネルギーを蓄積する「小さな工場」と考えてみてください。生成されるプラスチックの性質は、その鎖を構成する構成単位（モノマー）に大きく依存します。短い構成単位は、簡単に折れてしまうような硬くて脆い素材を作り出し、長い構成単位は柔軟性と伸縮性を導入し、プラス方ゴムに近い性質を持たせます。数十年にわたり、研究者たちは、これらの長く柔軟な構成単位を最も効率的に生産できる細菌を見つけ出すことに苦心しており、それがこの環境に優しい素材の用途範囲を制限してきました。

タイの国立科学技術開発庁の研究チームは、この問題の解決に向けて大きな一歩を踏み出しました。彼らは、さまざまな廃棄物をプラスチックに変換する能力で有名な、よく知られた細菌であるCupriavidus necatorを用いました。しかし、この本来の細菌は、自然には短くて脆い構成単位しか生産しません。これを変えるために、科学者たちは、長い柔軟なブロックを組み立てる能力で知られる別の種類の細菌、Pseudomonas putidaから特定の遺伝子を添加することで、この細菌を設計しました。この遺伝子改変によって、研究者がmcl-C19と名付けた新しい菌株が誕生しました。この新株に糖蜜（モラセス）と使用済み調理油の混合物を与えたところ、短くて硬い構成単位と、長くて柔軟な構成単位の両方を含むハイブリッド・プラスチックを生産し始めました。この組み合わせにより、素材の特性の幅が広がり、元の細菌が生産していた脆いバージョンのものよりも、はるかに多くの用途に利用できる可能性が生じました。

研究者たちは、単に新しい菌株を作成するだけでなく、生産を最大化するための特定の給餌戦略も開発しました。細菌は細胞を増殖させるためにバランスの取れた食事を必要としますが、特定の栄養素を飢餓状態にしつつ、炭素を豊富に与えると、プラスチックの蓄積を開始します。これを活用するために、チームは二段階のプロセスを用いました。第一段階では、細菌が急速に増殖して大きな個体数を築けるよう、栄養豊富な混合物を与えました。個体数が高まったところで、第二段階へと切り替え、窒素を追加せずに、炭素に富んだ食物（具体的には糖蜜と使用済みパーム油）を断続的に投入しました。これにより、細菌が細胞の増殖ではなく、プラスチックの製造へとエネルギーを転換せざるを得ない不均衡な環境を作り出しました。このプロセスを大型タンク内で注意深く制御することにより、設計された細菌は大量のプラスチックを蓄積し、細胞総重量のほぼ半分にあたる1リットルあたり13グラムの濃度に達しました。

この成果を特に顕著なものにしているのは、生産されるプラスチックの多様性です。設計された細菌は、単に一種類の長いブロックを作ったのではなく、炭素原子4個の短い鎖から10個の長い鎖まで、6種類の異なる構成単位を含む複雑な混合物を作り出しました。これらのブロックの具体的な割合は、細菌への給餌方法によって変化しました。すべてのものを一度に投入する単純なバッチプロセスを用いたときと、二段階のパルス給餌法を用いたときでは、異なる組成となりました。これは、給餌スケジュールと使用する廃棄物食品の種類を調整するだけで、プラスチックの物理的特性（硬さを増したり、より伸縮性を持たせたりすること）を微調整できることを示唆しています。研究では、糖蜜と使用済みパーム油の混合物を使用することが、望ましい長鎖ブロックを生成する上で最も効果的であることが確認され、新株は未改変の親株よりも4倍多くの柔軟な成分を生産しました。

この研究はまた、このプロセスが小さなフラスコから大規模な工業用バイオリアクターへと、効率を損なうことなくスケールアップできることも実証しました。2リットルのタンクでの結果は、より小さな容器での結果とほぼ同一であり、この手法がより大きな生産にも耐えうる堅牢なものであることを示しています。生産されたプラスチックの量は多かったものの、研究者たちは、細胞重量に占めるプラスチックの割合はまだ改善の余地があるとも指摘しました。彼らは、細菌が他の細胞成分よりもさらに多くの資源をプラスチックへと転換するように促すためには、さらなる遺伝子的調整が必要になる可能性があることを認めています。しかし、現在の結果は、単純な遺伝子改変とスマートな給餌戦略を組み合わせることで、一般的な廃棄物を、特定のニーズに合わせてカスタマイズ可能な多才な生分解性プラスチックへと変えることが可能であることを示しています。このアプローチは、プラスチック生産が再生可能な資源に依存し、環境に安全に帰ることができる素材を生み出す、バイオベース経済への実用的な経路を提示しています。