光るハッピー酵母がバイオ燃料へのアプローチを変えるかもしれない

光は命

人類文明のほぼすべてのエネルギーは最終的に太陽から得られています。食料、バイオマス、木材は日光のおかげで成長します。また、石炭、ガス、石油は何百万年も前に死んだ植物からできています。風さえも大気を太陽が温める結果です。そしてもちろん、今日では太陽光パネルがあります。太陽の力を利用する生物が私たちのエネルギー需要の多くをカバーしていることを考えると、バイオ燃料の概念は理にかなっています。

問題は、トウモロコシやサトウキビ、農業残渣などの作物を使用する第一世代・第二世代バイオ燃料は、これらの作物の栽培に大量の化石燃料や肥料が使用されるため、エネルギー収率がかなり低い傾向にあることです。

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第三世代バイオ燃料は代わりに藻類の利用を目指しており、私たちが記事「藻類バイオ燃料：次のエネルギー革命？」で詳しく議論したテーマです。

しかし、すべての生物が光合成を行えるようにできたらどうでしょうか？これまで夢物語とされていたことが、ジョージア工科大学の研究者によって部分的に実現されました。

光駆動酵母

酵母はおそらく世界で最もよく理解されている微生物です。人類は文明の黎明期から酵母の生化学的能力を利用して、パン、アルコール、発酵乳製品を生産してきました。

酵母は生物学実験室で最も一般的な「モデル」生物の一つでもあり、多くの医薬品や有用なバイオ分子の重要なバイオ工場でもあります。

それでも酵母は生き続けるために糖や他の化合物で餌を与える必要があります。少なくとも、Anthony Burnetti氏（William Ratcliff准教授の研究室の研究科学者）が、酵母が光エネルギーを収集できるようにしたまでのことです。

「必要だったのはたった一つの遺伝子を移すことだけで、光下では暗所よりも2％速く成長しました。微調整や慎重な誘導もなく、ただうまくいったのです。」

全く新しいタイプの酵母

チームは酵母という一般的で遍在する生物を改変する経験が豊富で、新しく予想外の可能性を持っています。特に注目すべきは、以前に単細胞酵母を「多細胞性長期進化実験」で複雑な多細胞生物へと変換したことです。

出典: Georgia Tech

これらの多細胞酵母の成長に対する制限は、内部の「組織」で酸素にアクセスできないことでした。そのため、酵母を光合成生物にすることに取り組んだのです。

そのために、酵母にロドプシンというタンパク質を導入しました。このタンパク質は、光合成に必要な高等植物の複雑なタンパク質やバイオ分子（クロロフィルなど）なしで、ある程度の光合成を行えることが知られています。

ロドプシンタンパク質をコードする遺伝子を1つ追加しただけで、酵母は光を捕捉し、成長が速くなりました。その増加は控えめで、成長率が約+2％でしたが、シンプルな変化であることから重要です。そして、この成長向上はまだ最適化されていません。

合成生物学によるバイオ燃料

これまでバイオ燃料の研究は、すでに光合成を行う植物（トウモロコシ、サトウキビ、藻類）を改変し、経済的に成立するほど効率的なプロセスにしようとしてきました。

しかし、これにはいくつかの障壁があり、トウモロコシなどの優れた作物に含まれるバイオマテリアルは容易に入手できず、エタノールへ変換する際に多くのエネルギー損失が生じます。一方、藻類はより有望ですが、汚染なしに培養することは決して簡単な作業ではありません。

対照的に、酵母の培養は大規模な産業プロセスで日常的に行われている、よく理解された手法です。酵母を藻類の代替とすることで、バイオ燃料合成の新たな方法が開かれる可能性があります。藻類の育成に複雑なプロセスを必要とする代わりに、酵母や細菌を光だけで成長できるように遺伝子改変すれば、これらの生物が産業規模での培養がはるかに容易であるという利点を活かせます。

バイオエンジニアリングされた燃料在庫

全体として、これはまだ非常に若く将来性のあるバイオ燃料研究とバイオエンジニアリングの分野です。したがって、実現を目指す可能性が最も高い企業は、合成生物学やバイオ燃料生産に関する高度な専門知識が必要となります。

以下のリストは、ジョージア工科大学の研究者の発見に潜在的な価値を見出す可能性のある企業の一例です。

1. Reliance Industry

Reliance Industryは、インド最大の民間企業であり、通信、繊維、エネルギーなどで活動している巨大なコングロマリットです。2022年には、同社が史上初めて年収1000億ドルに達したインド企業となりました。

Relianceは2022年に藻類バイオ燃料市場への参入を発表し、「世界最大級の藻類培養システム」の一つを誇っています。これまで同社のエネルギー事業は主に製油所と石油化学プラントが中心でした。この藻類プロジェクトにより、インドの豊富な日光（未開発の砂漠も含む）を活用して生産を開始し、同国の外国からの化石燃料輸入への極度の依存を減らすことができるでしょう。

同社は農業廃棄物からのバイオガスの生産にも積極的で、インド最大のバイオエネルギー生産者となっています。

2. Ginkgo Bioworks

同社は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。これには医療分野の応用だけでなく、産業や材料科学のプログラムも多数含まれます。

Ginkgoは、Relianceのような大手産業コングロマリットがバイオ燃料生産専用のカスタム酵母を設計する際に頼るべき企業そのものです。

Ginkgo Bioworksは多くの研究プログラムとパートナーシップにより、応用範囲を広げています：

• カンナビノイド
• mRNAワクチン製造と核酸医薬品
• 食品タンパク質
• バイオロジカル肥料の生産（Bayerとの提携）
• 腸疾患用プログラマブル微生物
• マイクロプラスチックの生物分解
• バイオセキュリティと病原体検出
• 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、その後完成品のロイヤリティで収益を上げています。

2023年はGinkgoにとって多くのパートナーシップが結ばれた豊かな年で、以下を含みます：

• $331Mの取引（Pfizer）.
• $490Mの取引（Merck）でバイオ医薬品製造の最適化.
• $406Mの取引（Boehringer Ingelheim）で薬剤化困難なターゲットに対応.
• BiogenおよびNovo Nordiskとの協業（金額非公開）.

出典: Gingko Bioworks

Ginkgo Bioworksは主要な農業企業すべてとも提携しており、その多くがバイオ燃料生産や微生物学に関心を持っています。その中にはBayer、Cargill、Syngenta、Corteva、ADM、Exactaなどが含まれます。