ドイツの研究チームが新型細菌酵素を発見、ポリエステルプラスチックとペニシリンを分解可能

コンスタンツ大学の研究チームは、新型の細菌酵素を発見した。この酵素は特定のポリエステルプラスチックやバイオプラスチックを分解でき、ペニシリンを切断することも可能である。この発見は、微生物が科学者の予想以上に早くプラスチックに適応できることを示唆している。この研究は『ISME Journal』に発表された。この酵素は細菌細胞の外部に位置し、異常に広い活性部位を持つ。微生物学者のハリー・レーナー（Harry Lerner）とダビッド・シュレヒク（David Schleheck）はこれを「パックマン酵素」と名付けた。レーナーはこの研究の第一著者であり、当時は同大学の博士研究員であった。

この発見の重要性は、ほとんどの合成プラスチックが微生物によって分解される速度が非常に遅く、廃棄物の大部分がマイクロプラスチックやナノプラスチックに粉砕されることである。高密度ポリエチレン（HDPE）の生分解には数百年から数千年かかる可能性がある。微生物は確かにプラスチック廃棄物に定着し、研究者が「プラスチック生息地（plastisphere）」と呼ぶ生息環境を形成するが、通常はほとんどのプラスチックを食物として利用できない。

細菌はどのようにバイオプラスチックを分解するか

森林土壌において1年間、レーナーとシュレヒク（微生物生態学の教授）は、微生物がバイオプラスチックを完全に分解する方法を研究した。彼らは化学者のステファン・メッキング（Stefan Mecking）チームが開発した長鎖脂肪族ポリエステル（LCAP）膜を使用した。彼らは膜を約10センチメートルの深さに埋め、実験室でバイオプラスチック粉末を同じ土壌に混ぜ、微生物の呼吸によって生成される二酸化炭素を追跡した。この実験は1年間続けられた。すべてのテストされたバイオプラスチック、LCAP、PHBV、PCLは、約250日から330日以内に完全に分解された。

セルロースは約80日で分解されるが、HDPEはほとんど分解されない。

電子顕微鏡で撮影された埋められたLCAP膜は、微米サイズの孔を示しており、各孔のサイズと形状は単一の細菌細胞と一致している。研究チームは、プラスチック分解酵素を持つ細菌が消化の方法で膜に侵入することを仮定しており、これは細菌がこれらの酵素を周囲の環境に放出するだけという従来の仮説に挑戦している。

遺伝子と酵素の二重機能

研究者は土壌中でDNAを探している際に、LCAPのみを含む土壌で高度に富集した遺伝子を発見した。この遺伝子は、分泌信号と脂質アンカーを持つエステラーゼをコードしており、細胞表面に付着し続ける。構造はβ-ラクタマーゼに似ており、これらの酵素はペニシリンなどの抗生物質中のβ-ラクタム環を切断する。実験室では、チームはこの酵素が水解を通じてポリエステルを単量体に分解し、同時にペニシリンを切断することを示した。シュレヒクは、表面への付着がこの二つの作業を完了するのに役立つと説明した。プラスチック基質は細胞の近くで形成され、細菌はそれらが漂流したり隣人に奪われる前に吸収できる。

抗生物質が細胞に入る前に、それらは失活されている。

レーナーは、科学者たちがプラスチック生息地における抗生物質耐性遺伝子の普遍的存在に困惑していることを指摘した。これらの発見は、ここにいる生物が二重機能を進化させ、二重の利点をもたらす可能性があることを示唆している。同様に、特定の酵素が現在プラスチック分解に特化している可能性があり、β-ラクタマーゼの活性はその進化過程の残存物であるかもしれない。

シュレヒクは、細菌が予想以上に早くポリエステルプラスチックに適応できることが励みになると述べ、人々は微生物の能力と協力する必要があると強調した。理想的には、これはLCAP中のエステル結合のような生化学的な断裂点を持つポリマーを使用して、リサイクルを逃れ、最終的に環境に入るプラスチックを処理することを意味する。

細菌のプラスチック適応の可能性と課題

この研究は、細菌がポリエステルプラスチックに適応する能力を明らかにし、微生物がプラスチック分解において持つ潜在能力を示している。プラスチック汚染問題が深刻化する中、効果的な分解方法を見つけることが極めて重要である。研究チームの発見は従来の考えに挑戦し、細菌が酵素を放出するだけでなく、直接プラスチックに侵入できることを示しており、これは将来の環境技術に新たな視点を提供する可能性がある。また、細菌の二重機能は抗生物質耐性遺伝子の存在を説明するのに役立つかもしれず、微生物が生態系において果たす重要な役割をさらに強調している。