【OVERVIEW】爲實施低碳社會，就需要利用再生能源的碳循環技術。廣島大學研究生院統合生命科學研究科的中島田豐教授，正在開發針對由二氧化碳（CO2）、產自再生能源的氫（H2）以及一氧化碳（CO）的合成氣體，利用嗜熱性微生物的發酵生成丙酮等有用化學物質的「合成氣體發酵技術」。開發目標是希望在將來構建起一種不使用化石燃料，就能製造出液體燃料和化學原料，並在使用後使其再回到合成氣體狀態的循環型生產工藝。
中島田 豐
廣島大學 研究生院統合生命科學研究科教授
2018年起擔任「未來社會創造事業」研究開發代表
改造基因製作菌株
在培養的同時回收產物
我們日常使用的產品有很多是由乙烯、丙烯等化石資源製成的，廣泛用於塑膠原料及有機溶劑的丙酮也是其中之一。以往這些化學物質都是使用化學觸媒從化石燃料中提取出來的，在其製造程序中以及使用後不回收再利用而是直接焚燒掉的時候，會排放出導致温室效應的氣體CO2。另外，作爲製造原料的化石資源被認爲在不久的將來會枯竭，因此無論從資源方面而言，還是從溫室對策方面而言，不使用化石資源的製造都是一個重要的課題。
「如果能以CO2爲原料製造丙酮，那麼將有助於再製造有用物質時實施去碳。」提出此觀點的，是擔任「未來社會創造事業」中「活用再生能源的有用物質高產微生物設計」專案的研究開發代表、廣島大學研究生院統合生命科學研究科的中島田豐教授。
中島田教授在研究生時期主攻化學工程專業，畢業後於1995年進入廣島大學發酵工學研究室，開始研究透過微生物將生物質能量轉換爲能源的生物程序技術。之後一直專業研究發酵工學。此次中島田教授關注的是一種名爲熱醋穆爾氏菌的微生物（圖1）。
圖1 熱醋穆爾氏菌
這種菌類具有高溫環境下的增殖性能，適合從合成氣體中生產和回收有用物質。中島田教授透過轉基因技術將該菌的主要產物乙酸轉化爲了丙酮。
雖然熱醋穆爾氏菌的全基因體序列已經明確，但之前轉基因技術的開發完全無人問津。這種細菌具有厭氧性，接觸空氣就會死亡，但可以透過H2、CO2、CO製作出乙酸。對此，中島田教授運用2009年在A-STEP支援下開發成功的基因導入技術，透過導入丙酮生成酶，再去除兩個乙酸生成酶中的一個，成功製作出了抑制乙酸生成、合成丙酮的菌株（圖2）。
圖2嗜熱性丙酮生產菌的培育
在熱醋穆爾氏菌中導入三個丙酮合成途徑基因，同時解除掌管乙酸生成酶之一的基因。由此製作出了在高溫環境下生產丙酮的嗜熱性丙酮生產菌。
將生質能或廢棄塑膠等與水一起進行水氣改性後，可以生成H2和CO的混合物，也即合成氣體。而用H2和CO2製造合成氣體的技術也已經在開發之中。可以說，使用熱醋穆爾氏菌的生物工藝就是使用這種合成氣體制作丙酮的一種碳循環技術。
此外，這種嗜熱性丙酮生產菌具有在50～60℃下增殖的性質。由於丙酮的沸點爲56℃，因此透過將溫度維持在56℃以上的合成氣體氛圍下培養細菌，丙酮在被生成的同時就變爲氣體，從而可以以氣體回收的方式便利地回收丙酮（圖3）。通常，丙酮、乙醇等低沸點化合物需要透過蒸餾的方式從發酵液中分離和回收，但此時，需要將發酵液加熱到物件產物的沸點以上。由於中溫微生物在高溫下會死亡，因此在分離、純化時就會出現大量的死菌體和廢棄得培養基，而如果使用沸點以上的高溫發酵生物工藝，就能在菌體存活狀態下回收物件產物，從而降低成本。
圖3集發酵和分離於一體的合成氣體高溫發酵工藝
中島田教授表示：「雖然我們使用的微生物，不能像大腸桿菌、酵母那樣簡單地進行基因操作。而且即便進行了基因操作，得到的微生物也不一定就有所期待的特性。但今後我們會堅持不懈地進行基因改良，在提高丙酮的生產效率的同時，希望製造出能在量產工廠中便利使用的微生物。」
與年輕研究人員共同努力
實施終極的碳循環社會
基於基因體資訊，開發熱醋穆爾氏菌的高效基因導入技術，不僅可以生成丙酮，還能生成各種有用的化合物。由於作爲原料的H2取自再生能源，因此目前成本還是一個懸疑。但面向未來的氫社會，相信在不久的將來，H2的獲取成本會變得比現在更便宜。另外，透過利用微生物的特性，以往透過化學處理難以從石油中獲得的複雜且高附加值化合物，也可以透過微生物從CO2中製造出來，這種時代的到來將不再只是夢想。
中島田教授表示：「想像未來會到來的社會形態，考慮那時真正需要的技術，是非常重要的。我相信合成氣體發酵就是那樣的技術。」目前，中島田教授在開發更優秀的微生物的同時，還在開發能更快速地培養出優秀微生物的基礎技術。開發更加高效的基因體編輯技術就是現在的目標之一。
中島田教授還表示，與使用合成氣體作爲原料的化學合成工藝不同的嘗試，如何活用生物技術也是該研究的有趣之處：「利用生物有其獨有的優勢。微生物由蛋白質組成，在用其製造出物件物質後，菌體還有可能用於家畜飼料，或許人類也可以直接食用。當然，現在的人們對此還會有一定抗拒，但這有可能在將來成爲用於宇宙太空船地球號的食物。」（圖4）
圖4 由厭氧微生進行產品物製造的未來圖
將合成氣體變成食物、化學產品、能源等。而且透過厭氧微生物的轉換工藝，可以實施使用後在處理設施再次回到合成氣體的終極碳循環。
中島田教授對共同擔任實施終極碳循環研究的年輕研究人員、和今後打算步入研究道路的人們抱有很大期待。他鼓勵道：「研究真的是一件很快樂的事情。特別是在大學時代，可以在不被任何人妨礙的情況下追求自己想做的研究，就像天堂一樣。只要找到自己想做的事情，認真描繪通往成功的道路併爲之而努力的話，成功之路就會呈現在你的眼前。」
話雖如此，但不可能只追求自己感興趣和想做的事情，人會被要求爲解決社會課題做貢獻，有時還會因爲自身能力不足而無法如願前進的情況。「想做的事情、能做的事情、該做的事情，雖說這三個必須分開考慮，希望大家能夠找到讓它們三位一體的道路，並以此爲目標」。這個想法，也推動着中島田教授在研究的道路上紮實邁進。（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：伊藤彰浩）
原文：JSTnews 2023年1月號
中文：JST客觀日本編輯部
