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さがせ、おもしろ研究! ブルーバックス探検隊が行く 石炭を食べて天然ガスをつくる「孝行者」の菌がいた! 腐海に憧れた女性研究者の“仰天”発見記

2018年9月28日掲載
(取材・文 水品 壽孝)

 

石炭から天然ガスを生み出す微生物

「コールベッドメタン」という言葉をご存じだろうか。

じつはこれ、石炭層に含まれる天然ガスのこと。その主成分はメタンガスで、「炭層メタン」ともよばれている。

このコールベッドメタンにいま、新たな天然ガス資源として世界中の注目が集まっている。従来は炭鉱における爆発事故の元凶として厄介者扱いされてきたコールベッドメタンだが、石炭からメタンガスを回収する技術の進歩により、重要な天然ガス資源とみなされるようになってきたのだ。

米国、オーストラリア、中国などではすでに大規模な商業的生産が行われており、日本でも、2016年から北海道夕張市で試掘が始まっている。かつて「炭鉱の町」として栄えながら2006年に財政破綻してしまった夕張市が、“復活”の切り札として大きな期待をかけているのが、このコールベッドメタンなのである。


石炭層
「コールベットメタン」が眠る北海道美唄の石炭層

コールベッドメタンは、数百万年から数億年という長い時間をかけて、亜炭から褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭、無煙炭と石炭化が進む過程で生成され、その中には微生物の活動によってつくられたメタンも多く含まれている。しかし、どのような微生物が、石炭中のどのような有機物からメタンを生成するのかはわかっていなかった。

一昨年、その謎を解明する突破口が開いた。産業技術総合研究所の研究チームが、単独で石炭から直接メタンを生成するメタン生成菌を発見。コールドベッドメタンの形成に、このメタン生成菌が重要な役割を担っている可能性を示唆したのだ。

いったいどんな菌が、石炭からメタンを生み出しているのだろう?

興味を抱いたブルーバックス探検隊は今回、研究チームのメンバーである産業技術総合研究所 地質調査総合センター 地圏資源環境研究部門 地圏微生物研究グループの持丸華子主任研究員と坂田将上級主任研究員を訪ねて、根掘り葉掘り訊ねてみた。


メタン生成菌って何? どこにいるの?

まずは素朴な疑問から。そもそもメタン生成菌って、どんな菌ですか?

「酸素がない環境下で有機物が微生物によって分解されると、水素、二酸化炭素、酢酸、メタノールなどができます。それらの有機物を食べ切ってメタンとして放出するのがメタン生成菌です。いわば、有機物分解過程の最後のプレーヤーですね。

メタン生成菌は水田や沼、地下、牛の胃など酸素のない環境に住んでいますが、じつは私たちのお腹の中にも住んでいるんですよ。おならに火が点くのも、お腹の中でメタン生成菌がメタンをつくっているから。例外はありますが、微生物由来のメタンは、ほぼすべてメタン生成菌がつくっています」(持丸さん)


持丸さんの写真
持丸華子さん


メタン生成菌は細胞内に核膜をもたない「原核生物」の仲間で、生物学的には、大腸菌や乳酸菌、納豆菌などが含まれるバクテリア(細菌)ではなく、アーキア(古細菌)に分類される。

これまでの約半世紀のあいだに発見されたメタン生成菌は、およそ160種。いずれも、(1)水素と二酸化炭素、(2)メタノールなどのメチル化合物、(3)酢酸、のいずれかの経路からメタンを生成している。割合としては、水素と二酸化炭素を使ってメタンを生成している菌が最も多く、全体の4分の3ほどを占め、残り4分の1はほぼメチル化合物を利用している。酢酸を使ってメタンを生成している菌も一部にいるが、これまでメタン生成菌が利用できる基質(エサ)は、おおよそこの3つに限られていた。

「160種というのは、実際に分離ができた菌の種類です。遺伝子から存在が推定されている菌はもっとたくさんありますが、その菌が何をしているのかは実際に分離してみなければわかりません。持丸さんは、そういう新しい菌を分離している研究者の一人です。そして、持丸さんが分離した菌の中に、これまでとは違うエサを利用してメタンを生成している菌がいました。AmaM株というメタン生成菌です」(坂田さん)


常識外れの菌がいた!

メタン生成菌AmaM株は、石炭に含まれるメトキシ芳香族化合物を利用し、メタンを生成する。メタン生成菌は従来、有機物がさまざまなバクテリアによって分解・低分子化されて生成した水素・二酸化炭素や酢酸、メチル化合物を利用し、メタンを生成すると考えられていた。

しかし、持丸さんが分離したメタン生成菌AmaM株は、メタノール、メチル化合物などの単純なメチル化合物だけでなく、比較的炭素数の多いメトキシ芳香族化合物を利用して、さらには石炭そのものを利用して直接メタンを生成していたのだ。これは、それまでのメタン生成菌の生化学的・生態学的常識を根底から覆す大発見だった。

持丸さん、どんな常識をひっくり返したのですか?

「いままでは分解過程の最後の最後に残ったものを食べてメタンを生成するのがメタン生成菌だと思われていましたが、意外と大きなものをいきなり食べられるということがわかりました。それが、いままでの常識とはまったく違うところでした」

しかし、その解明にいたるまでは、一朝一夕にはいかなかった。この発見ストーリーは、持丸さんの悔しい思い出から始まる。

持丸さんが、油田の深部から採取した菌の中から「科」レベルで新しいメタン生成菌のAmaM株の分離・培養に成功。新種提案に向けて準備を進めていた最中に、ある中国人研究者がAmaM株と遺伝子が約99%一致する新科・新属・新種のメタン生成菌を分離・同定したという論文を発表し、先に名前をつけてしまったのだ。2007年のことだった。

まさしくタッチの差、ですね……。

「はい、1ヵ月ほどの遅れでした。1%程度の遺伝子の違いでは同種とみなされ、遺伝子以外で大きな違いがないと新種として提案できないんです。メタン生成菌は酸素に触れると死んでしまうので、培地の酸素を窒素で追い出したり、密閉したガラス瓶を用いたり、培養するのにすごく手間がかかります。

世の中に存在する菌の99%は培養できていないといわれていて、ちゃんと名前がついている菌はほんの1%にすぎません。この菌は、ポスドクの頃から飼っていて何年もかけてようやく分離した菌だったので、本当にガッカリしてしまって……」

その悔しさをぬぐい去るのは簡単ではないですね。ずいぶん落ち込まれたとか。

「しばらくその菌に未練タラタラで、先に進めないでいました。そんな私を見かねて、菌の分離では師匠にあたる先生が、『もうそんなヤツ、捨てちゃいなよ』と声を掛けてくださいました。でも……、どうしても諦めきれなかった私は、『せっかく分離したんだし、何とか何かに使えないかな』と考え、密かにそのまま飼い続けることにしたんです」


培養器の前の持丸さん
諦めきれずに培養を続けた持丸さん

先行研究に隠れていたヒント

「次はこのAmaM株を使って、新規なバクテリアを分離することにしました。そのバクテリアはメタン生成菌AmaM株と共生して、メトキシ芳香族化合物の一つ、トリメトキシベンゾエートを食べているようでした」

石炭は主に、植物のリグニンに由来する有機物からなり、その高分子構造内にはメトキシ芳香族化合物が含まれている。石炭やリグニンに含まれる物質のモデル化合物としてトリメトキシベンゾエートを基質として使い、さらにAmaM株を助っ人として培地に加えることで、新規のバクテリアを生えやすくして、他の雑菌から分離することを試してみたのだ。

トリメトキシベンゾエート(舌が絡まりそう……!)をエサとして用いてみたのは、どうしてですか?

「ヒントは、これに先駆けて行った研究にありました」と持丸さん。

同じグループの研究者と一緒に、堆積物中の古い有機物だけで微生物がどれぐらいのメタンを発生させるのかを調べたところ、酢酸を出すバクテリアと酢酸を食べるメタン生成菌が最後に残った。そこで、そのバクテリアと遺伝子配列が近い菌の論文にあたってみると、「トリメキシトベンゾエートを分解する」と書かれていたのだという。

研究って、地道な積み重ねの上に成り立っているんですね。

「トリメトキシベンゾエートは、石炭やリグニンと関連している化合物です。そういうものを食べさせてメタンができたら面白そうだと思い、実験を始めました。とはいえ、AmaM株が単独でトリメトキシベンゾエートを食べるとは、当初はまったく考えていませんでした。バクテリアとセットで培養すれば、バクテリアがトリメトキシベンゾエートを分解して、さらにその分解物をAmaM株が食べてメタンを出す。その共生が証明できて、新しいバクテリアが分離できれば、それはそれで面白いかなと思っていました」


失敗は成功のもと

発見はある日、突然起こった。

「いつも2つの瓶を同じタイミングで植え継いでいました。1つは、AmaM株をメタノールをエサとして育てているもの、もう1つは新しいバクテリアとAmaM株をトリメトキシベンゾエートをエサとして育てているもの。ある日、この2つを間違えて逆のエサに植えてしまったんです。すぐ気づいたのですが、もったいないのでそのまま観察してみることにしました」と持丸さん。

で、どうなったんですか? ドキドキしますね。


顕微鏡を覗く持丸さん
菌の意外な行動に驚く!


「培養器を覗き込んでびっくりしました。AmaM株が単独でトリメトキシベンゾエートを食べていたんです。しかも、バクテリアと共生培養するよりも、AmaM株単独で培養したほうがたくさんメタンを出していたのです。はじめは共生だと思っていたのですが、1つのエサをめぐっての競合相手だったということです」


因縁のライバルとの“再会”

メタン生成菌AmaM株は、単独でトリメトキシベンゾエートを食べてメタンを生成する。持丸さんがこの発見を研究チームのメンバーに伝えると、当初は疑念の声も上がった。それほど“常識外れ”だったということだが、根気よくデータを提出し続けたことで徐々に理解者が増加。一緒に研究する仲間も増え、研究の裾野が広がっていった。

AmaM株以外にも、メトキシ芳香族化合物からメタンを生成できるメタン生成菌はいないのか? ーー類似の菌を探し出す目的で、持丸さんはAmaM株を含む11種のメタン生成菌を各種メトキシ芳香族化合物とともに培養し、メタンを生成するかどうか実験を行った。

そのターゲットとなったのは、メタノールやメチルアミンなどのメチル化合物をエサとする系統のメタン生成菌だ。AmaM株が、やはりメチル化合物を食べる系統のメタン生成菌だったため、同じ系統の代表的なメタン生成菌11種を選んで実験を試みた。

結果はどうだったのでしょう?

「AmaM株同様、トリメトキシベンゾエートを利用してメタンを生成している菌がもう一つ見つかったんです。それは……、命名で先行された例の中国人研究者が分離同定し、2007年に論文発表したメタン生成菌でした。ZC-1株とよばれるものです。その後の実験で、AmaM株は少なくとも35種類の、ZC-1株が34種類のメトキシ芳香族化合物からメタンを生成することが判明しました。AmaM株だけがメトキシ芳香族化合物を食べられれば、新種提案できたのですが、それは結局叶いませんでした」(持丸さん)

因縁のライバルと、ふたたび運命が交錯した……、なんとドラマチックな展開だろう。

AmaM株がさらに石炭からメタンを生成できるかどうかを調べるため、熟成度の異なる石炭とともにAmaM株を培養すると、褐炭、亜瀝青炭、瀝青炭でメタンを生成することがわかった。特に、熟成度が低く、メトキシ芳香族化合物が比較的多く検出された褐炭において、メタン生成が顕著であったという。

これは、AmaM株のようなメタン生成菌が石炭中のメトキシ芳香族化合物を直接メタンに変換することで、微生物起源のコールベッドメタンの形成に寄与している可能性を示している。坂田さんが補足する。


坂田さん
坂田将さん

「環境中の菌を遺伝子で解析することがはやっていますが、昔ながらの菌の分離を行うことはとても重要です。菌の分離あってこその新しい代謝の発見でしたから。2016年にこの発見を『サイエンス』誌に掲載すると、持丸さんに先んじて論文を出し、菌に名前をつけた中国人研究者も大喜びしてくれ、私たちの研究室を訪問されました。自分が命名したメタン生成菌に、他のメタン生成菌とはまったく異なる機能があることが発見され、その菌が世界的に注目されるようになったのですから」

「ナウシカの腐海を創ってみたかった」

タッチの差で新種提案できなかったAmaM株を捨てずに飼い続け、AmaM株が単独でトリメトキシベンゾエートを食べることがわかると、こんどはカタログを見ながらメトキシ基がついている物質を一つひとつ探し出しては食べさせたーー。それは、持丸さんたちの執念と地道な努力が、実を結んだ瞬間だった。

持丸さんが、微生物の研究者を志した意外な理由を教えてくれた。きっかけは、あの国民的なアニメ映画だったという。環境問題に興味を抱き、微生物をテーマに選んだ背景には、その作品独自の舞台設定があった。

「宮崎駿さんの名作『風の谷のナウシカ』に、“腐海(ふかい)”とよばれる瘴気(しょうき)に満ちた森が出てくるでしょう。腐海の巨大な菌類のようなものは、人間に害を及ぼすものとして描かれていますが、じつは汚された地球環境を浄化してくれるシステムとして機能しています。私は、腐海のような環境浄化システムを再現できる科学者になりたいと思っていたんです」


環境のイメージ
環境を浄化するシステムづくりに憧れた photo by Adobe Stock

そんな持丸さんがメタン生成菌と出会ったのは、筑波大学3年生のときだった。外部研究生として国立環境研究所に出向き、たまたま手伝うことになった研究テーマが「西シベリア湿原のメタン生成機構の解明」だったという。持丸さんが目を輝かせて言う。

「メタン生成菌は、420ナノメートルの波長の光を当てると青緑色に光ります。初めて蛍光顕微鏡で光り輝くさまざまな形のメタン生成菌を見たとき、『なんて美しいんだろう。宇宙の宝石みたい!』と魅了されて、メタン生成菌の虜となりました。



メタン生成菌は機能もシンプルです。酸素は不要で、水素と二酸化炭素さえあれば生きられるという点では、太古の地球に存在していたかもしれないし、宇宙にもいるかもしれません。『宇宙で最初の生き物はメタン生成菌だ』と言う人もいるほどです。

しかも、メタンというエネルギーをつくってくれるわけですから、『ステキすぎる!』とゾッコンになりました。今では、腐海はどこへやらという感じです(笑)」


地球は「生物起源のメタン」の世界

以来、メタン生成菌一筋の研究生活を送ってきた持丸さん。新種のメタン生成菌も、これまでに2株分離・同定し、自ら名づけ親となっている。

「プロファンディ」と「アンティカム」ーー。いずれも、千葉県茂原市の南関東ガス田から採れたメタン生成菌だという。生物の名前はラテン語表記で、「プロファンディ」は深いという意味、「アンティカム」はアンティークと語源が同じで古いという意味。いずれも、地下深部の堆積当時の古い海水から分離したという意味を含ませている。

ところで、地球上のメタンには、微生物の活動によってつくられる生物起源のメタンの他に、地下での熱分解によって生成されるメタンがある。現在、天然ガス資源として利用されているメタンの約8割は、この熱分解起源のメタンだ。

ところが、グローバルなメタンの収支を考えると、この関係は逆転する。メタンの発生源として、生物起源のメタンのほうが圧倒的に多く、全体の90〜95%を占めているという。

次世代のエネルギー資源として期待されているメタンハイドレードも、そのほとんどは微生物起源だ。牛や羊の胃の中でつくられ、げっぷやおならとして大気中に放出されるメタンは、地球温暖化を促進する温室効果ガスとして悪者扱いされているが、これらも、そのほとんどが微生物の活動によってつくられている。

坂田さんが解説してくれた。

「コールベッドメタンも、米国では、その4割はメタン生成菌がつくったものと評価されています。しかし、これまではその生成プロセスがよくわかっていませんでした。今回の研究は、その一端を明らかにしたことになるわけです。これは学術的な意義にとどまらず、産業面への寄与も大きい。微生物の活性を高めて、石炭を積極的にメタンにすることができるようになれば、コールベットメタンの増産につながっていきます」

生成経路の解明に挑む

今回発見されたメタン生成菌のエサであるメトキシ芳香族化合物は、石炭層だけでなく、ケロジェンとよばれる堆積物中の有機物にも含まれている。ケロジェンは、植物や藻類など多様な生物に由来し、地球上で最も多く存在する有機物だ。石油・天然ガスの主要な根源物質であり、メトキシ芳香族化合物を利用するメタン生成菌は、コールベッドメタンだけでなく、さまざまな天然ガス資源の形成に寄与している可能性があるという。

ただし、メトキシ芳香族化合物を利用してメタンを生成する新しいメタン生成経路の詳細については現在研究中で、まだはっきりとは解明されていない。いまのところ、メタン生成菌がメトキシ芳香族化合物のメトキシ基を脱メチル化して酢酸を生成し、その酢酸を分解する経路と二酸化炭素還元経路の2種類のメタン生成経路を介してメタンを生成するという仮説が有力だ。

「今後の課題としては、まずはその生成過程を明らかにしなくてはいけません。また、メトキシ基を利用してメタンを生成するメタン生成菌が存在することまでは明らかになりましたが、石炭に含まれるメトキシ基はそれほど多くないので、回収効率が悪い。石炭に含まれる他の成分も分解してメタンに換える微生物が見つかれば、いろいろな菌を使って、より効率的にメタンを生成することができます。次のステップとしては、この点も目標にしたいと思います」(坂田さん)


「コールベッドメタン」試掘地
北海道夕張市での「コールベッドメタン」試掘地

かつて活況を呈した日本の炭鉱は現在、そのほとんどすべてが閉山になっている。しかし、その地下にある石炭層には、莫大な量のコールベッドメタンが存在するという。掘り出しが必要な石炭とは違って、メタンガスは掘削すれば自噴するので採取しやすいという特徴がある。メタンを生成する微生物を利用した回収技術の進歩によって、コールドベットメタンの開発が加速することは間違いないだろう。

酸素に触れることを嫌い、地下深くに潜り込んでひっそりと生きているメタン生成菌たちが、炭鉱にかつての活況を取り戻してくれる日も近いかもしれない。



持丸さん、坂田さんの写真  

持丸 華子(もちまる はなこ)(写真:左)
地圏資源環境研究部門 地圏微生物研究グループ 主任研究員

坂田 将(さかた すすむ)(写真:右)
地圏資源環境研究部門 地圏微生物研究グループ 上級主任研究員

私たちは油田やガス田、炭田などの地下資源を微生物により効率的に回収することを目的として、地下深部で微生物がどの様にこれらの物質を分解しているのかを明らかにし、どのように産業へと応用して行けるのかについて研究しています。地圏微生物の発見から、産業利用の可能性まで、地下のわくわくを追求しています。


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