太陽エネルギー分離型バイオハイブリッド光合成システムによる自然を超える合成

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太陽エネルギー分離 バイオハイブリッドシステム 光合成 持続可能な製造 二酸化炭素固定

太陽エネルギー分離型バイオハイブリッド光合成システムによる自然を超えた合成の実現

学術的背景

光合成微生物は太陽エネルギーを化学エネルギーに変換することで、二酸化炭素（CO₂）を高付加価値の長鎖化学品へと直接変換することができ、CO₂の隔離と持続可能な発展のための非常に有望な経路を提供します。しかし、光合成反応で生成される重要な還元力―還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH）は、主に微生物が暗所で生存するために用いられ、生合成には十分利用されません。この制約は光合成微生物の実用化ポテンシャルを大きく妨げるものです。この問題を解決するため、研究者たちは「太陽エネルギー分離型」のバイオハイブリッド戦略を提案し、持続型光触媒と光合成微生物を統合することにより、光反応と暗反応の分離を実現し、無照射環境下でもCO₂を継続的に利用し長鎖化学品の合成を可能にしました。

論文ソース

本論文はNa Chen、Jing Xi、Tianpei Heらの著者による共同執筆で、武漢大学人民医院、湖南大学、上海交通大学等に所属しています。2025年4月10日、Chem誌に《Beyond Natural Synthesis via Solar-Decoupled Biohybrid Photosynthetic System》の題で掲載されました。責任著者はLilei Yu、Yun Zhang、Quan Yuanです。

研究フローおよび成果

1. 研究設計

研究チームは、持続型光触媒と光合成微生物（代表例：Rhodopseudomonas palustris）を統合することで、光反応と暗反応を時空間的に分離する太陽エネルギー分離型バイオハイブリッド戦略を提案しました。持続型光触媒は、照射期間中に光生成した電荷を蓄積し、暗所ではゆっくりと放出して、微生物に持続的な還元力を提供します。

2. 光触媒の設計と最適化

研究チームはZn1.2Ga1.6Ge0.2O4（ZGG0）を持続型光触媒として採用し、ニッケル（Ni）ドーピングによる欠陥工学を活用して光エネルギー蓄積効率を高めました。密度汎関数理論（DFT）計算と実験によると、Niドーピングは触媒の電子構造を最適化し、バンドギャップを縮小し、酸素空孔（Vo）やゲルマニウム空孔（VGe）の数を増加させ、結果として光触媒の水素貯蔵効率を大きく高めることが判明しました。

3. バイオハイブリッドシステムの構築

最適化されたZGG0:Ni光触媒とR. palustrisを結合させ、太陽エネルギー分離型バイオハイブリッドシステムを構築しました。実験の結果、光触媒は照射中に太陽エネルギーを還元型水素（H₂）や光電子へ変換し、暗黒条件下ではこれらの還元力を緩やかに放出し、微生物のNADPH再生や生合成プロセスを駆動することができました。

4. 実験結果

  • 光触媒効率：ZGG0:Ni光触媒の見かけの光変換効率（APCE）は8.30%に達し、無触媒対照群（4.36%）を著しく上回りました。
  • NADPH再生：暗所条件下では、光触媒に蓄積された還元力によって微生物のNADPH再生効率が有意に高くなり、最終的に36.30%に到達しました。
  • CO₂固定および生合成：バイオハイブリッドシステムにおけるCO₂固定率とリコピン（lycopene）収量はそれぞれ3.17 mM/g DCW/h、8.80 mg/Lに達し、いずれも対照群を大きく上回りました。

5. 分子メカニズムの解析

トランスクリプトーム解析・メタボローム解析により、光触媒の存在が、電子伝達・光合成・CBB回路（Calvin-Benson-Bassham cycle）・ヒドロゲナーゼ関連遺伝子の発現を顕著に上昇させ、微生物の代謝活性を高めることが明らかになりました。

結論と意義

本研究は、太陽エネルギー分離型バイオハイブリッドシステムの構築により、光のない条件下でもCO₂を連続的かつ高効率に生合成へ利用する目標を実現しました。この戦略は、光合成微生物の光エネルギー利用効率を大きく向上させるのみならず、持続可能なエネルギー貯蔵と利用に新たな道筋を提供します。さらに、本研究はバイオハイブリッドシステムが火力発電所との協業など産業応用に有望であることも示しています。

研究のハイライト

  1. 革新的戦略：太陽エネルギー分離型バイオハイブリッド戦略を提唱、持続型光触媒と光合成微生物の結合により、光反応と暗反応の空間的・時間的分離を実現。
  2. 高効率光触媒：欠陥工学とNiドーピングによって、光触媒の水素貯蔵効率と光エネルギー変換効率を大幅に向上。
  3. 幅広い適用性：本戦略はR. palustrisだけでなく、Synechocystisなど他の光合成微生物にも応用可能であり、幅広い適用性を示す。
  4. 産業応用の可能性：本研究はCO₂の回収・利用という新しい技術ルートを提供し、工業的応用価値も高い。

その他の有用な情報

研究者たちはライフサイクルアセスメント（LCA）を通じ、バイオハイブリッドシステムが環境及び経済両面で優れていることを実証しました。これにより、温室効果ガス排出量やエネルギー消費が顕著に減少し、生産コストも低下します。また、研究チームはこのシステムが極限環境（宇宙など）での応用可能性も探索し、さらに応用シナリオを拡張しました。

本研究は革新的なバイオハイブリッド戦略を通じて、持続可能なエネルギー利用とCO₂隔離に新技術を提示しており、重要な科学的価値と実際の応用意義を有しています。