ベルン大学の研究者たちは、オーストラリアとニュージーランドの科学者と共同で、生物が空気から直接エネルギーを取り出すことを可能にする重要なプロセスを実験室で再現しました。これは、細菌などの特定の生物が、太陽光やその他のエネルギー源に頼ることなく、空気だけで生存できることを裏付けるものです。この発見は、持続可能なエネルギー生産の新たな可能性を示唆しています。
大気中の水素は微量ガスとして存在し、濃度はわずか0.00005%です。毎年70万トンもの水素が新たに生成されているにもかかわらず、この濃度はほぼ一定です。この生成は主に光化学反応と人為的な要因によるものです。この一定性の理由は長らく解明されていませんでしたが、現在では、その大部分が土壌中のバクテリアなどの微生物によって吸収され、エネルギー源として利用されていることが分かっています。水素化酵素と呼ばれる特殊な酵素が、空気中の極めて希少な水素分子を捕捉し、エネルギーに変換します。
ベルン大学の研究者たちは、オタゴ大学、クイーンズランド工科大学、モナッシュ大学、メルボルン大学の同僚と共同で、生物が空気中の水素からエネルギーを生成する理論的なプロセスを、実験室で初めて再現することに成功しました。この研究成果は、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に最近発表され、このプロセスが実際に起こっていることを示す初の証拠となり、特に、特定の生物が太陽などのエネルギー源なしで長期間生存できる理由を説明しています。
水素と酸素が反応して水を形成し、エネルギーを放出する
化学の授業では、このエネルギー放出のプロセスは、伝統的に酸水素反応を用いて実演されます。風船の中で水素2と酸素1を混ぜ、点火します。反応は大きな爆発音を発し、反応生成物として水が生成されます。この大きな爆発音は、これら2つのガスの混合は非常にエネルギーが高いものの、最初に熱という形でエネルギーを必要とすることを示しています。ベルン大学化学・生化学・薬学部の研究グループリーダーであり、本研究の発起者兼最終著者でもあるクリストフ・フォン・バルモース氏は、次のように説明しています。「本質的に同じ反応が細菌細胞内で起こります。しかし、この反応は酵素によって厳密に制御された触媒作用を受け、最初の点火を必要としません。細菌における反応は、放出されたエネルギーを酸水素反応のように熱として失うのではなく、細胞エネルギー（ATP）として蓄えるために、少なくとも3段階に分かれています。」
ATP（アデノシン三リン酸）は細胞内の主要なエネルギー源であり、栄養素の吸収やDNAやタンパク質の生成など、様々な活動に利用されます。ATPは小さな充電式バッテリーのような働きをし、使用後は再生されます。
この理論的なプロセスが生物において実際に起こり得るかどうかを検証するため、研究者らは精製された成分から最小限の合成呼吸鎖を再現した。ヒトでは、細胞呼吸はミトコンドリアで行われ、食物由来のエネルギーをATPに変換する。このプロセスにおいて、電子はエネルギーに富む分子から徐々に酸素へと伝達される。放出されたエネルギーはプロトンサイクルの駆動に使用され、ナノタービンを介してATPが生成される。
本研究では、研究者らは人工脂質膜に埋め込まれたわずか3つの酵素からなる最小限の合成呼吸鎖を作製した。そのうち1つ（ヒドロゲナーゼ）はオーストラリア産、他の2つ（プロトンポンプとナノタービン）はベルン産である。「この実験で困難だったことの一つは、プロトンが正しい方向に送り込まれるようにタンパク質を膜に組み込むことでしたが、最終的には克服することができました」と、本研究の第二著者であり、ベルン大学化学・生化学・薬学部の博士課程学生であるステファン・モニング氏は述べている。
これらの実験は、特定の生物が生存に必要なエネルギーを空気中の成分のみから生成できるという理論を裏付けています。「空気中の水素は微量しか存在しませんが、400.000つの酵素は反応で得られたエネルギーを蓄え、ATPに変換します。空気中の酸素は水素のXNUMX万倍も豊富であり、酸水素反応にとって理想的な条件とは程遠いことを考えると、これは非常に印象的です。このプロセスは遅いですが、必要な時に生物をしのぐには十分であると計算されています」とフォン・バルモース氏は述べています。
「このプロセスは、大気中の水素濃度が一定に保たれている理由を説明するだけでなく、有機分子が存在しないにもかかわらず南極の乾燥した砂漠で生命が生存できる理由、あるいは生物がエネルギー源なしで長期間生存できる理由も説明します」と、本研究の筆頭著者であり、ベルン大学化学・生化学・薬学部の元修士課程学生であるサラ・スーム氏は説明する。一酸化炭素やメタンなど、大気中の他の微量ガスも同様のプロセスを可能にすると考えられている。しかし、水素を用いてこれが実験的に実証されたのは今回が初めてである。
水素と酸素の反応では、唯一の廃棄物として純水が生成されます。この方法は、太陽光に匹敵する最も環境に優しいエネルギー生成方法の 1 つです。
研究者らによると、水素濃度を高くすれば、ATP生成速度を何倍にも高めることができるという。「例えば光触媒による水分解など、この方法が成功すれば、合成生物学におけるATP生成の新たな基準を確立できる可能性がある」とフォン・バルモース氏は述べている。継続的かつ持続可能なATP生成は、例えば酵素支援による医薬品製造やモデル系における生命の起源の解明にとって重要である。
初版発行
Soom, S. 他 (2025).大気中の水素濃度によって駆動されるATP合成。PNAS。DOI : 10.1073/pnas.2506353122
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