【OVERVIEW】为实现低碳社会，就需要利用可再生能源的碳循环技术。广岛大学研究生院统合生命科学研究科的中岛田丰教授，正在开发针对由二氧化碳（CO2）、产自可再生能源的氢（H2）以及一氧化碳（CO）的合成气体，利用嗜热性微生物的发酵生成丙酮等有用化学物质的“合成气体发酵技术”。开发目标是希望在将来构建起一种不使用化石燃料，就能制造出液体燃料和化学原料，并在使用后使其再回到合成气体状态的循环型生产工艺。
中岛田 丰
广岛大学 研究生院统合生命科学研究科教授
2018年起担任“未来社会创造事业”研究开发代表
改造基因制作菌株
在培养的同时回收产物
我们日常使用的产品有很多是由乙烯、丙烯等化石资源制成的，广泛用于塑料原料及有机溶剂的丙酮也是其中之一。以往这些化学物质都是使用化学催化剂从化石燃料中提取出来的，在其制造过程中以及使用后不回收再利用而是直接焚烧掉的时候，会排放出导致温室效应的气体CO2。另外，作为制造原料的化石资源被认为在不久的将来会枯竭，因此无论从资源方面而言，还是从温室对策方面而言，不使用化石资源的制造都是一个重要的课题。
“如果能以CO2为原料制造丙酮，那么将有助于再制造有用物质时实现脱碳。”提出此观点的，是担任“未来社会创造事业”中“活用可再生能源的有用物质高产微生物设计”项目的研究开发代表、广岛大学研究生院统合生命科学研究科的中岛田丰教授。
中岛田教授在研究生时期主攻化学工程专业，毕业后于1995年进入广岛大学发酵工学研究室，开始研究通过微生物将生物质能转换为能源的生物工艺技术。之后一直专业研究发酵工学。此次中岛田教授关注的是一种名为热醋穆尔氏菌的微生物（图1）。
图1 热醋穆尔氏菌
这种菌类具有高温环境下的增殖性能，适合从合成气体中生产和回收有用物质。中岛田教授通过转基因技术将该菌的主要产物乙酸转化为了丙酮。
虽然热醋穆尔氏菌的全基因组序列已经明确，但之前转基因技术的开发完全无人问津。这种细菌具有厌氧性，接触空气就会死亡，但可以通过H2、CO2、CO制作出乙酸。对此，中岛田教授运用2009年在A-STEP支援下开发成功的基因导入技术，通过导入丙酮生成酶，再去除两个乙酸生成酶中的一个，成功制作出了抑制乙酸生成、合成丙酮的菌株（图2）。
图2嗜热性丙酮生产菌的培育
在热醋穆尔氏菌中导入三个丙酮合成途径基因，同时解除掌管乙酸生成酶之一的基因。由此制作出了在高温环境下生产丙酮的嗜热性丙酮生产菌。
将生物质能或废弃塑料等与水一起进行水蒸气改性后，可以生成H2和CO的混合物，也即合成气体。而用H2和CO2制造合成气体的技术也已经在开发之中。可以说，使用热醋穆尔氏菌的生物工艺就是使用这种合成气体制作丙酮的一种碳循环技术。
此外，这种嗜热性丙酮生产菌具有在50～60℃下增殖的性质。由于丙酮的沸点为56℃，因此通过将温度维持在56℃以上的合成气体氛围下培养细菌，丙酮在被生成的同时就变为气体，从而可以以气体回收的方式便利地回收丙酮（图3）。通常，丙酮、乙醇等低沸点化合物需要通过蒸馏的方式从发酵液中分离和回收，但此时，需要将发酵液加热到对象产物的沸点以上。由于中温微生物在高温下会死亡，因此在分离、纯化时就会出现大量的死菌体和废弃得培养基，而如果使用沸点以上的高温发酵生物工艺，就能在菌体存活状态下回收对象产物，从而降低成本。
图3集发酵和分离于一体的合成气体高温发酵工艺
中岛田教授表示：“虽然我们使用的微生物，不能像大肠杆菌、酵母那样简单地进行基因操作。而且即便进行了基因操作，得到的微生物也不一定就有所期待的特性。但今后我们会坚持不懈地进行基因改良，在提高丙酮的生产效率的同时，希望制造出能在量产工厂中便利使用的微生物。”
与年轻研究人员共同努力
实现终极的碳循环社会
基于基因组信息，开发热醋穆尔氏菌的高效基因导入技术，不仅可以生成丙酮，还能生成各种有用的化合物。由于作为原料的H2取自可再生能源，因此目前成本还是一个悬念。但面向未来的氢社会，相信在不久的将来，H2的获取成本会变得比现在更便宜。另外，通过利用微生物的特性，以往通过化学处理难以从石油中获得的复杂且高附加值化合物，也可以通过微生物从CO2中制造出来，这种时代的到来将不再只是梦想。
中岛田教授表示：“想象未来会到来的社会形态，考虑那时真正需要的技术，是非常重要的。我相信合成气体发酵就是那样的技术。”目前，中岛田教授在开发更优秀的微生物的同时，还在开发能更快速地培养出优秀微生物的基础技术。开发更加高效的基因组编辑技术就是现在的目标之一。
中岛田教授还表示，与使用合成气体作为原料的化学合成工艺不同的尝试，如何活用生物技术也是该研究的有趣之处：“利用生物有其独有的优势。微生物由蛋白质组成，在用其制造出对象物质后，菌体还有可能用于家畜饲料，或许人类也可以直接食用。当然，现在的人们对此还会有一定抗拒，但这有可能在将来成为用于宇宙飞船地球号的食物。”（图4）
图4 由厌氧微生进行产品物制造的未来图
将合成气体变成食物、化学产品、能源等。而且通过厌氧微生物的转换工艺，可以实现使用后在处理设施再次回到合成气体的终极碳循环。
中岛田教授对共同担任实现终极碳循环研究的年轻研究人员、和今后打算步入研究道路的人们抱有很大期待。他鼓励道：“研究真的是一件很快乐的事情。特别是在大学时代，可以在不被任何人妨碍的情况下追求自己想做的研究，就像天堂一样。只要找到自己想做的事情，认真描绘通往成功的道路并为之而努力的话，成功之路就会呈现在你的眼前。”
话虽如此，但不可能只追求自己感兴趣和想做的事情，人会被要求为解决社会课题做贡献，有时还会因为自身能力不足而无法如愿前进的情况。“想做的事情、能做的事情、该做的事情，虽说这三个必须分开考虑，希望大家能够找到让它们三位一体的道路，并以此为目标”。这个想法，也推动着中岛田教授在研究的道路上扎实迈进。（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：伊藤彰浩）
原文：JSTnews 2023年1月号
中文：JST客观日本编辑部
