電気呼吸する大腸菌がバイオテクノロジーの未来を駆動する可能性

大腸菌が電気を使って呼吸する: 画期的な発見の解説

理論的には、人造機械と生物学の違いはかなり明確です。私たちの発明は主に電気で動きますが、細菌から人間に至る生命は化学反応で動いています。しかし、その違いは以前考えていたほど単純ではない可能性があります。

ライス大学、カリフォルニア大学、そしてノボノルディスク財団バイオサステナビリティセンターの研究者は、私たちの腸内に一般的に存在する細菌が、酸素の代わりに電気を使って「呼吸」する、いわゆる細胞外呼吸というプロセスを利用していることを発見しました。

「私たちの研究は、長年の科学的謎を解くだけでなく、自然界における新たで潜在的に広範な生存戦略を示唆しています。」

Ajo-Franklin – 生物科学教授

このプロセスはバッテリーが電流を放出する方法を模倣しているため、生物学的研究以外にも応用が期待できます。

彼らの発見は権威ある科学誌 Cell に掲載され、タイトルは 「細胞外呼吸は大腸菌における潜在的エネルギー代謝である」 です。

微生物における呼吸と電子伝達の理解

本質的に、呼吸は電気的プロセス、正確には電気化学的プロセスです。エネルギー分子から電子を複雑なタンパク質連鎖に沿って転送し、酸素に水素イオン（H+）と電子（e-）を付加して酸素を水に変換します。

しかし、このプロセスが酸素だけを使用しなければならないという制約はありません。例えば、発酵時に起こるのがそれですが、最終的な酸化が起こらないため、呼吸や酸化反応に比べてはるかに効率が低いです。

理論的には、電子の最終受容体であれば何でも呼吸に利用でき、酸素ベースの呼吸と類似させることが可能ですが、実際には非常に単純ではありません。

大腸菌が細胞外呼吸で酸素を置き換える方法

これこそが研究者たちが発見した内容です。大腸菌（Escherichia coli）はナフチンキノンと呼ばれる化合物を利用して、電子を外部表面へ転送できます。

この細胞外呼吸プロセスは長年知られていましたが、仕組みが初めて解明されたのです。

「この新たに発見された呼吸メカニズムは、仕事を成し遂げるシンプルで巧妙な方法です。

ナフチンキノンは分子宅配員のように働き、細胞外へ電子を運び出すことで、細菌が食物を分解しエネルギーを生成できるようにします。」

Biki Bapi Kundu – Rice大学の博士課程学生

したがって、酸素を呼吸する代わりに、細菌は余剰電子を受け取らせることで周囲の物質を酸化させ、これを「呼吸」できるのです。

これは、通常の呼吸や発酵に加えて、細菌が食物を処理しエネルギーを生成する第三の方法であることを示唆しています。

電極ベースの実験で細菌の電気利用が確認される

コンピューターモデリングを用いたシミュレーションにより、細菌は外部に電子を放出することで自己維持できることが示されました。

研究者は次に、ナフチンキノンが転送した電子を受け取れる電極のような導電性表面が豊富な領域で細菌を培養しようと試みました。

さらに実験室でのテストにより、導電性材料上に置かれた細菌は成長と電力生成を続け、実質的に表面を通じて呼吸していることが確認されました。細菌は細胞外呼吸へ切り替えることで、代謝機能と遺伝子発現に大きな変化を起こしました。

クリーンテックとバイオテックにおける細菌電気の応用

電子が化学反応や酸化を駆動することは、クリーンテクノロジーにとって重要な多くの化学反応の基礎となります。

特に、二酸化炭素の固定はこのプロセスによって支援される可能性があり、植物の代わりに大腸菌などの細菌を利用して炭素を捕捉する技術が考えられます。

「私たちの研究は、再生可能エネルギーによる電気を利用して二酸化炭素を活用する基盤を築き、細菌が光合成における植物と同様に機能することを示しています。」

これにより、生物学を核とした、より賢く持続可能な技術の構築への道が開かれます。

Ajo-Franklin – 生物科学教授

廃水処理やバイオ製造といったバイオテクノロジー工程は、電子バランスの管理を改善することで大幅に向上する可能性があります。電気を放出する細菌をこれらのプロセスに導入すれば、バランスを是正しシステムを効率的に稼働させることができます。

別の潜在的な応用として、酸素が乏しい環境でのバイオエレクトロニクスセンサーが考えられます。この電子転送手法で酸素を代替できるため、医療診断、汚染モニタリング、深宇宙探査などの新しいツールに有用です。

バイオエレクトリシティの未来: バイオテクノロジーへの意味

それでも、微生物、特に微生物学者がモデルとして広く研究し「理解」している大腸菌でさえ、その複雑な生化学的能力についてはほとんど解明されていません。

これは、エレクトロバイオロジーに関する新たな発見が、バッテリー、センサー、汚染管理、バイオ製造などのより優れたソリューション設計にどのように活用できるかという興味深いアイデアを提供します。

おそらく、今日解明された大腸菌のプロセスを人工的に再現することで実現できるでしょう。

この文脈では、人工タンパク質や類似分子が制御可能かつ予測可能な形で電子転送を行うことが考えられます。

合成生物学への投資

Ginkgo Bioworks

同社は、バイオ医療や産業・材料科学プログラムなど、特定の用途向けにオンデマンドで生物体を生産しています。

また、パンデミック時に急成長した大規模なバイオセキュリティ部門も持っています。多くの場合、Gingkoの製品の製造・選択には指向的進化や高度な遺伝子工学が用いられます。

Ginkgo Bioworks (DNA ) は多数の研究プログラムとパートナーシップにより、応用範囲を大きく多様化しています:

• カンナビノイド
• 腸疾患向けプログラム可能微生物
• マイクロプラスチックの生物分解
• 廃棄物と汚染物質のリサイクル

同社は、開発プロセスの前払いを受け、完成品に対するロイヤリティで収益を得ています。

Gingkoのパートナーシップは絶えず拡大しており、以下のようです:

• Novo Nordiskとの拡大するパートナーシップ。
• 日本の商社 Sojitz Corporation とのパートナーシップ。
• 極寒環境で氷を制御する新規タンパク質に対する DARPA の資金提供。
• Pfizer との 3.31億ドルの取引。
• Merck との 4.90億ドルの取引（バイオ医薬品製造の最適化）。
• Boehringer Ingelheim との 4.06億ドルの取引（薬剤標的外のターゲット向け）。

Ginkgo Bioworksは主要な農業企業とも提携しており、その多くはバイオ燃料生産や微生物学に関心を持っています。代表的な企業には Bayer、Cargill、Syngenta、Corteva、ADM、Exacta などがあります。

Gingkoは遺伝子配列や生物体のカスタム設計・選択、そしてバイオセキュリティ監視に豊富な経験があり、酵素や抗体を特定用途に活用したいすべての産業にとって重要なプロバイダーです。

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同社のビジネスモデルは進化しており、将来に向けていくつかの選択肢があります。その一つは、これまで主に施設を直接運営していたものを、研究者向けに自動化ラボを販売することでハードウェア志向へ転換することです。

別の選択肢として、Ginkgoが大規模なバイオ製品の受託製造を開始することが考えられます。バイオサイエンス、ラボハードウェア設計、Merck のような大手向け生産最適化の専門知識により、この道で成功する確かな実績があります。

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研究参照:

1. Biki Bapi Kundu, et al. (2025) 細胞外呼吸は大腸菌における潜在的エネルギー代謝である. Cell. 10 2025年4月.