分子生物学者のクリストファー・ジョンソンは、つい先日、あるパーティーで他の客と、科学者らしく自身の研究について語りながら、談笑していた。ジョンソンは、こうした物質に対して非常に抵抗力のあるプラスチックの分解に取り組んでいる。
この結婚前のパーティーで彼が話していた女性は、私たちがプラスチックの使用をやめられないこと、プラスチックが埋め立て地に溢れていること、プラスチックの微粒子が海に浸透していることなど、この状況全体に圧倒され、絶望していると答えた。
圧倒された、とジョンソンは思った。絶望的だ。
「私はその視点からは全くかけ離れています」とジョンソン氏は当時の反応を振り返りながら言う。
なぜなら、プラスチックはジョンソンだけに起こっているのではなく、彼自身にも起こっているからです。ジョンソンは国立再生可能エネルギー研究所の研究科学者であり、昨年、同僚と共に、水筒や石鹸の容器などの使い捨てプラスチックを効率的に分解できる生物学的酵素を開発しました。研究チームは、人類がこの過剰に蓄積された素材を使い続ける世界を構築できると楽観視しています。文字通りにも比喩的にも、プラスチックに圧倒されることなく。その世界では、より広範で堅牢なリサイクルシステムの一部として、微生物がポリマーを化学成分に分解し、より優れた新製品として利益を生み出すことができるでしょう。
現在、リサイクルは化学的に言えば、プラスチックを実際に何かに変えているわけではありません。紙を細長く細断するように、廃棄物を細かく砕くだけです。そして、製造業者はそれらの破片を低品質のプラスチックに再構成します。この分野の人々が言うところの「バイオベースリサイクル」では、プラスチックを食べる生物が、新しい材料、そして最終的には製品を作るための構成要素を返してくれます。
特にジョンソン氏のグループは、偶然の発見でありながら、素晴らしいニュースになったため、人々の想像力を掻き立てられました。懐疑論者は、この試みが裏目に出るのではないかと懸念しました。遺伝子組み換え作物の悪党が、間違ったポリマーを飲み込んでしまうかもしれない、と。例えば、車のダッシュボードのように。運転中に。可能性は極めて低いですが、完全に見当違いというわけではありません。
結局のところ、あのプラスチックゴミ自体が意図せぬ結果なのです。この合成素材は、象牙の代替品としてゾウを殺処分から救うために開発されたことが一因です。しかし、この革新もまた、私たちを今日の状況、つまり圧倒的な負担と絶望へと導いたのです。人間が毎年生産するプラスチックの量は3億トンを超え、これは全人類の体重を合わせた量の約5倍に相当します。
現代のポリマーのほとんどは、水のボトル、シャンプーボトル、牛乳瓶、ポテトチップスの袋、食料品の袋、コーヒーのマドラーなど、たった一度しか使われていません。毎年、約900万トンものゴミが沖合に流れ着いています。太平洋ゴミベルトという言葉を聞いたことがあるでしょう。太平洋の北半分にある、渦巻く海流によってゴミが集まる場所です。しかし、2050年までに公海上のプラスチックの量が魚の量を上回る可能性があることをご存知でしたか？
文明社会は、自らの廃棄物処理をうまく進めていない。ジョンソン氏と彼のチームは、その理由の一つとして、これまでそうする大きな経済的インセンティブがなかったことを挙げている。しかし、もしプラスチックのブロックを再利用して、元の素材よりも価値の高いもの、例えば自動車部品、風力タービン、あるいはサーフボードなどに作り変えることができれば、リサイクルの仕組みを変えることができる。企業は、世界に貢献することで自らの利益も増やすことができるのだ。
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偶然の酵素チームの多くは、コロラド州ゴールデンにある国立再生可能エネルギー研究所で働いています。キャンパスはロッキー山脈の麓に面しており、何もないところから急激に14,000フィートの山頂へと急峻に伸びています。ほぼすべての建物の屋根には太陽光パネルが設置されています。グループが活動するフィールド試験研究棟では、天井や壁に沿ってROYGBIVスペクトルのユーティリティパイプが敷設されています。カードアクセスの入り口の奥では、冷蔵庫、インキュベーター、高性能顕微鏡が並ぶ研究室がざわめいています。そして、1階の小さな会議室では、マトリックス状のスクリーンが4人の科学者のバックライトを照らしています。
彼らはフロリダ、イギリス、ブラジルの同僚とともに、このバイオベースのリサイクル研究においていわばドリームチームを結成しています。ニコラス・ローラーはポリマーを作製します。グレッグ・ベッカムは、細菌や真菌の化学物質が、植物細胞壁や多くの野菜の主成分であるセルロースなどの化合物をどのように分解するかを解明しようとしています。ブライアン・ドノホーは、ポリマーを食べる酵素を持つ細胞の働きを研究しています。ジョンソンは、それらの酵素を分泌する新しい種類の細胞を設計しています。これらの専門分野はそれぞれ、細菌がプラスチックへの欲求を満たす仕組み、そして細菌をより良いスナック食にする方法を解明する上で鍵となります。
背後のスクリーンの一つでは、酵素がセルロースのクローズアップの上を滑るように動き、繊維を一つ一つ噛み砕いて糖の塊として吐き出す様子が映し出されている。まさに究極のドライブスルー体験と言えるだろう。科学者によると、このシミュレーションはポリマーが相手と出会うのと同じ仕組みだという。
チームがこの概念を初めて知ったのは、サイエンス誌の2016年3月号で、日本の研究者らが堺市のボトルリサイクル工場付近の土壌サンプルから奇妙な細菌種を発見したというニュースが掲載された時だった。その細菌は、ペットボトルや容器の製造に広く使われているポリエチレンテレフタレート（通称PET）を食い破ることができた。慶応義塾大学の生物科学者、宮本健司氏が率いるチームは、その細菌が、ポリマーを化学的断片に分解する酵素を噴出することを発見し、この酵素をPETaseと名付けた。研究チームはこの驚くべき細菌を、出身地にちなんでイデオネラ・サカイエンシスと名付けた。イデオネラを非難するわけではないが、その働きは速すぎた。熱帯の気温の中で6週間も放置すると、PETフィルムを食い破ることができたのだ。効率的なリサイクル工場の材料とは到底言えない。さらに、生育させるには慎重な管理と栄養補給が必要だった。
論文が掲載されて間もなく、ベッカムはイギリスでポーツマス大学のジョン・マギーハンとビールを飲んでいた。マギーハンはセルロース研究の同僚であり、微小酵素の構造マッピングの専門家だった。二人は、PETaseがPETを分解する仕組みをより深く理解するために、どのように協力できるかについてブレインストーミングを始めた。というのも、彼らの研究は既に、天然物が天然物を分解する仕組み、例えば細菌や真菌が酵素を使ってセルロースを分解する仕組みを研究していたからだ。もしかしたら、その研究が天然物が合成物を分解する仕組みを理解するのに役立つかもしれない。
ブレインストーミングの後、二人はジョンソン、ドノホー、ローラーに加え、細胞内化学物質の働きをシミュレートする高度なコンピュータモデルを持つフロリダの同僚リー・ウッドコックも加わり、研究を開始した。
まず、研究チームはPETaseがどのようにして対象のプラスチックを分解するのかを理解する必要がありました。ポリマー中の分子は、簡単に引き離せるレゴブロックのように繋がっています。PETの場合、PETaseは引き離す役割を担っています。しかし、PETaseがどのようにしてプラスチックの分子を掴み、ねじり変形させるのかを理解するには、その酵素をマッピングできるだけの十分な量が必要でした。
ここでジョンソンの細胞に関する専門知識が役立った。彼らは外部企業と協力し、PETaseを生成する遺伝子を合成した。これは後に、実験室で素早く容易に培養できる単細胞生物である大腸菌に組み込むためのものだった。彼はその遺伝子コードを海を渡ってマクギーハンの研究室に送った。そこで、突然変異した食中毒菌は食べ物を摂取し、PETaseを放出し始めた。
マギーハン氏は、PETase酵素を超高出力X線顕微鏡を備えた施設に持ち込んだ。この顕微鏡は、太陽光の100億倍の強さの光を用いてサンプルを調べ、原子スケールの画像を作成する。この特殊な顕微鏡内では、過冷却磁石がX線を誘導し、科学者たちはPETaseそのもの、そしてその粘液形成作用さえも観察できるようになった。
この酵素は、素人目には海綿動物と人間の脳が生み出した愛の結晶のように見えます。あるいは、幸運な生物学者であれば、多くの植物を覆うワックス状のポリマーであるクチンを引き抜くクチナーゼとほぼ同じように見えるかもしれません。クチナーゼは、クチンにちょうどよく収まるU字型の狭い窪みを持っています。PETaseも同じU字型ですが、幅が広く、まるで遊園地の鏡に映るクチナーゼのようです。PETase Uは、BFFネックレスの両側のようにPETに収まります。
これは考えるまでもないことだ、とベッカムは当時考えていた。酵素はもともとクチンを食べるために進化し、大量のゴミがある中で新しい好物に適応したのは明らかだと彼は推論した。
形状、機能、そして進化論のアイデアを手にしたチームは、2017年10月に論文を投稿した。しかし、彼らが最も大切にしていた部分である起源の物語に問題があった。「査読者の一人が『いや、それを示さなければならない』と言ったんです」とベッカムは振り返る。
これはくだらない研究になるだろう、と彼は想像した。クチナーゼがダーウィンの進化によってPETaseへと進化したのは明白に思えた。しかし、それがどのように起こったのかを示すには、進化の時計を巻き戻し、広いPETase Uを小さなクチナーゼUに縮小する必要がある。そしてその過程で、プラスチックを噛めなくなるか、少なくとも噛む能力が低下するだろうと彼らは考えた。そして、その過程を逆にして、クチナーゼをPETaseに戻し、どのようにして両者が別のものになったのかを示すのだ。
ベッカムはこれらの言葉を受け止め（そして消化し）なければならないだろう。
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研究チームは2017年後半、PETaseをクチナーゼに戻す実験の前半を開始した。まず、PETaseを作るDNAを微調整した。具体的には、2つのアミノ酸を変異させ、その置換体がU字型にくっつくようにすることで、クチナーゼに近い酵素を作った。一方、ポリマー担当のローラー氏は、ダイエットペプシやダイエットドクターペッパーなど、スタッフのお気に入りのボトルを同僚から集め始めた（今でもそのゴミは彼のキュービクルの上部に積み重なっている）。彼は標準的なオフィス用穴あけパンチを使って円を切り抜いた。そして、それらを改変した酵素のさまざまなバージョンの近くに置いた。戻ってきたら、たとえほとんど、あるいは全く進歩していないだろうと予想していたのだ。
しかし、現実はそうではなかった。ローラーが4日後に戻ると、改造した酵素は機能しているだけでなく、堺リサイクル工場のPETaseよりも約30%多く食べているのを発見した。チームメンバーは自信を失い始めた。 「もしかしたらサンプルのラベルを間違えたのかもしれない」とローラーは考えた。細胞分解の専門家であるドノホーは、サンプルを間違えたのではないかと疑った。彼らは実験をさらに2回繰り返したが、結果は同じだった。新しい酵素は食欲旺盛だったのだ。ドノホーは当時を振り返る。「『信じるしかないんだな。でも、信じるしか方法はないんだ』と思いました」
この結果は、PETaseがクチナーゼから「ああ、当然だ」とチームが推測した通りに変化したかどうかは依然として不明だ。しかし、この予想外の結果は朗報だ。進化が既に生み出したものを改良できる可能性があることを意味する。「自然は必ずしも究極の解決策を見つけていない」と化学エンジニアのベッカム氏は言う。
2018年4月にこの発見が発表されると、人々はその「おどろき」に飛びつきました。ジョン・マクギーハンは、グウィネス・パルトロウの疑似科学ウェルネスブランドからGoopアワードを受賞しました。彼はそれを拒否しようとしましたが、グウィネス・パルトロウを拒否することはできません。しかし、このグループにとって、有名であることだけでは十分ではありませんでした。PETaseを少し改良するだけでも十分ではありませんでした。「おそらく、もっともっと良くできる余地があるでしょう」とベッカムは言います。
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イデオネラ・サカイエンシスは、プラスチック廃棄物を燃料として利用できる唯一の生物ではないことが判明した。「細菌はおそらく、身の回りのものを食べるように進化したのでしょう」と遺伝子工学者のジョンソン氏は言う。生物学者は数十年前から、微生物や真菌が放出するいわゆるエステラーゼなどの既存の酵素がPETやナイロンを分解できることを知っていました。
チューリッヒ湖に浮かぶプラスチックには、ポリウレタンを食べるように準備された4種類の微生物が付着している。インドの研究者たちは、海中で紙の防水加工に使われるポリビニルアルコールを分解できる細菌種を発見した。別のグループは、PETも分解するクチナーゼを持つ真菌を発見した。しかし、これらの微生物はいずれも、産業に役立つほどの規模で、まだ十分に餌を与えられていない。毎年3億トン以上のプラスチックが生産されているため、微生物が仕事をこなすには、末尾が「y」で終わる日すべてで約90万6000トンを処理しなければならない。ダイエット・ドクターペッパーのボトルの表面を溶かすのに4日かかるのは、到底速すぎる。
より優れたポリマー消化菌を探求するドリームチームは最近、モンタナ州立大学から新たなメンバーを採用した。彼らはイエローストーン国立公園の鮮やかな色の温泉で沸騰する極限環境微生物を研究している。自撮り写真を撮る観光客は、温泉に大量のゴミを投げ込む。このような温度、時には摂氏400度を超える温度では、プラスチックは溶けてしまうのだ。
バクテリアにとって、加熱されたジャンクフードを食べることはスピードを上げることに等しい。あらゆるものがはるかに速く動くのだ。もし科学者たちが、高温を好み、PETを食べる極限環境細菌を発見、あるいは人工的に作り出すことができれば、現実世界で役立つほどの速度で機能するプロセスに一歩近づくことになる。
このシナリオでは、将来のリサイクル工場ではプラスチックを加熱または細分化し、大きな鍋に熱湯を注ぎ、PETase（またはその他の酵素）を投入することになる。こうして、テレフタル酸とエチレングリコールといった多音節の成分からなるスープが作られ、企業はこれを原料として、より強度が高く価値の高いポリマーを合成することができる。
しかし、まずはより優れた酵素が必要だ。「生命は必ず道を見つける」とベッカムは『ジュラシック・パーク』を引用しながら微笑む。それでも、自然には助けが必要だ。そこで研究チームは、進化の秘密、つまりランダムな突然変異を利用することから始めた。新しい遺伝子コードによって生物が環境に適応しやすくなり、微生物はその不規則性を子孫に受け継ぐ。しかし、研究室では、例えばプラスチックを食べる生物にPETだけを与えることで進化を加速させることができる。もし彼らが夕食に席を立たなければ、彼らは餓死してしまうのだ。
研究チームはまた、イデオネラよりも選り好みが少ない細菌にPETase遺伝子を注入することで、新たな生命を生み出そうとしている。ベッカム氏は未発表論文を取り出し、ビフォーアフターの写真をスクロールしていく。試験管の中で新しい変異体と4日間培養した後、穴の開いたプラスチック片は、彼が「スープ状のガラクタ」と呼ぶものになった。ここで言う「ガラクタ」とは、噛み砕かれたプラスチック部品のことだ。
言い換えれば、この取り組みは成果を上げている。ベッカムは自分の写真を見ながら笑い、チームの最初の論文が発表された際に人々から送られてきたリンクを思い出した。それは1971年の『ミュータント59：プラスチックを食べる者たち』という本へのリンクだった。物語では、ポリマーを溶解するウイルスが蔓延し、宇宙船を破壊し、飛行機を墜落させ、潜水艦を沈没させ、世界中のプラスチックをすべて破壊するかのように、制御不能な混乱を引き起こす。
ノンフィクションの研究者たちは、遺伝子操作した生物を研究室の試験管の中に留め、最終的には産業プロセスに組み込む計画を立てている。そうした生物は、昔ながらの方法で進化を遂げ、既に外部に存在している可能性もある。世界には、金属、パン、チーズ、そして私たち自身の皮膚など、私たちが好むものを食べるバクテリアが存在することを思い出してほしい。そして私たちは今もなお、金属製の椅子に座ってパンやチーズをかじっている。何億年もの間、微生物は優位に立っているにもかかわらず、まだ支配権を握ることができていない。だから、自然が驚くほど急速に進歩するか（PETaseの非効率的なバージョンを作るのに50年ほどかかった）、あるいは誰かがクーデターを起こさない限り、小さな獣があなたのウォルマートのカヤックを食い荒らすようなことは、当分ないだろう。
ベッカム氏は、消化中に吐き出される炭素が最終的に二酸化炭素となり、気候変動の一因となる温室効果ガスになるという懸念を、より信憑性のあるものとしている。しかし、その排出量は他の産業から排出されるガスと比べれば微々たるものだろう。彼のグループは、生物温暖化の世界も、プラスチックのない世界も望んでいない。
むしろ、彼らはほとんどのポリマーの回収に真の経済的インセンティブを与えることを目指しています。現在、リサイクルで出てくるのは、結合力が弱いPET樹脂だけです。そこから新たなボトルを作るのは困難で、元のプラスチックの約75%しか価値がありません。繊維やカーペットに加工されますが、それらは通常、最終的に埋め立て処分されます。
しかし、プラスチックを生物学的に分解すると、ケブラーのような高価な素材の原料となる成分が生成されます。ケブラーはリサイクルPETの2～3倍の価格で販売され、スノーボードなどの耐衝撃性製品に使用されています。これらの素材は、企業にプラスチックを回収する金銭的な動機を与えます。イノベーターたちは、ケブラーを使って、より飛行しやすい航空機、より効率的な自動車、そして私たちがまだ考えも及ばないような丈夫で軽量な製品を開発するかもしれません。温室効果ガスの排出削減に貢献するかもしれません。
この世界は明日にも来年にも存在しない。しかし、それは近い将来に実現する。ドリームチームの微生物、あるいは他の微生物、そして自然がポリマーというピクニックテーブルにもたらすあらゆるものを通して合成される。彼らが成功すれば、私たちはプラスチックの山の上ではなく、プラスチックと共存できるようになるだろう。
この記事はもともと、Popular Science 誌の 2019 年夏号「Make It Last」に掲載されました。
