2023年3月9日
強靭な木質リグニンを嫌気性環境で分解できることを研究者が証明

https://phys.org/news/2023-03-tough-woody-lignin-broken-anaerobic.html

カリフォルニア大学サンタバーバラ校 ソニア・フェルナンデス著
ヤギ、ウシ、ヒツジなどの反芻動物は、嫌気性微生物を宿主とし、植物の堅い細胞壁を破ってその奥の栄養を得ることができる。クレジット：UCサンタバーバラ
大変な仕事ですが、誰かがやらなければならないことです。この場合、「仕事」とは、茎や樹皮、枝に特徴的な木質感を与える構造的なバイオポリマーであるリグニンを分解することである。リグニンは、地球上に最も多く存在する高分子のひとつで、貴重な植物繊維やその他の分子を取り囲んでいる。もし、あの硬い植物細胞壁を超えることができれば、バイオ燃料やその他の汎用化学物質に変換することができる。
幸い、大型の草食動物の腸内では、嫌気性微生物の働きによって、リグニンが生体高分子の背後に閉じ込められた栄養素を放出するという、かなり手間のかかるプロセスがすでに行われています。カリフォルニア大学サンタバーバラ校のミッシェル・オマリー教授（化学工学・生物工学）の研究室では、嫌気性菌類であるネオカリマスチゴミセスがこの役割を果たすことを証明する論文を「Nature Microbiology」誌に発表しています。
この研究は、米国エネルギー省（DOE）のジョイントゲノム研究所、ローレンスバークレー国立研究所、ジョイントバイオエナジー研究所、グレートレイクスバイオエナジー研究センターの同僚と共同で実施されました。
「リグニンは、植物の骨格系のようなものだと考えることができます」と、オマリー氏は言います。オマリー氏の研究は、植物の廃棄物とみなされるものから、エネルギーや化学物質の代替資源を見つけ、利用することに重点を置いています。さらに、リグニンは、植物が酵素や病原菌による物理的な分解を受けにくいという特性も持っていると言います。「リグニンは本当に重要で、丈夫で構造もしっかりしていますが、同じ理由で分解するのも難しいのです」。
何十年もの間、リグニンは酸素の存在下でしか分解されないと考えられていました。「時間がかかるし、フリーラジカルなどの特定の化学種に依存するため、誰もが知っている限りでは、酸素の力を借りなければ分解できないのです」とオマリーは説明する。
しかし、自然界にはリグニンを除去する方法が複数あることは、以前から示唆されていました。産業用バイオマスの世界では、リグニンの奥にあるセルロースやヘミセルロースにアクセスするために、植物バイオマスは通常、前処理を受ける必要がある。しかし、オマリー研究室の嫌気性微生物による研究では、前処理は必要ありません。
「私たちが扱う菌類は、セルロースやヘミセルロースを単独で抽出することができるので、リグニンを抽出する必要がなかったのです」と彼女は言います。"ですから、これらの菌類が前処理されていない植物バイオマスで生育できるという事実は、常にユニークで珍しい特徴であり、リグニンを移動させる方法を持っているに違いないという仮説を立てました。"
それを確かめるために、オマリー研究室はネオカリマスチグミセテスグループのメンバーで実験を行いました。研究の主執筆者であるトム・ランキウィッツは、ポプラ、ソルガム、スイッチグラスを無酸素状態で培養し、これらの真菌の一部を培養しました。この3種類のバイオマスは、イネ科植物の柔軟な茎や葉、ポプラの硬い木材など、自然界でリグニンがどのように存在するかを考慮して選ばれた。また、これらの植物は、DOEがバイオ燃料やバイオベース製品の原料として注目しているものです。
そこで研究チームは、菌類が丈夫な繊維を分解する様子を追跡調査したところ、確かにネオカリマスティックス・カリフォニアエが植物の硬い細胞壁を分解することを発見しました。核磁気共鳴法などの高度なイメージング技術により、酸素がない状態でのリグニン結合の切断を特定することができたのです。
「これは、酸素がない状態でのリグニンの運命について考える上で、まさにパラダイムシフトです」とオマリー氏は言う。「これを発展させて、堆肥の山や嫌気性消化槽、あるいは酸素のない非常に深い環境下でリグニンに何が起こるかを理解することができます。このような環境でバイオマスに何が起こるかについての理解を押し進め、そこで何が可能か、何が起こっているのかの化学的な認識を変えてくれます。
この研究により、リグニンが酸素のない環境で菌類によって分解されることが証明されましたが、研究者たちの次の課題は、その方法を正確に突き止めることです。このプロセスを仲介する酵素はあるのだろうか？嫌気性菌の特徴なのだろうか？興味深い研究であればあるほど、答えが出るたびに疑問が深まり、さらなる研究や実りある共同研究が生まれる。
「もちろん、この研究は1つの研究室だけの取り組みではありません」とオマレーは言う。「多くの協力者がいて、それぞれの専門性を発揮してくれたからこそ、実現したのです」と述べています。
より詳しい情報はこちら Thomas S. Lankiewicz et al, Lignin deconstruction by anaerobic fungi, Nature Microbiology (2023). DOI: 10.1038/s41564-023-01336-8
ジャーナル情報です。ネイチャー・マイクロバイオロジー
提供：カリフォルニア大学サンタバーバラ校
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