미생물 에너지 생성 대사

미생물의 에너지 생성 단계

 

생물이 에너지를 얻기 위한 대사에는 크게 분류하여 '광합성', '발효', '호흡'의 3종류가 있다. 「광합성」은 광 에너지를 화학에너지로 변환하는 생화학 반응, 「발효」와 「호흡」(호기호흡·혐기호흡)은 유기물의 산화반응에 의해 에너지를 발생하는 생화학 반응이다. 이와 같이 얻은 에너지를 이용하여, 생물은 생체 반응을 행하고, 또한 그 부산물이나 최종 생성물로서 다양한 물질을 합성하고 있다. 인류는 태고의 예로부터 의식주나 의약품 등 생활의 다양한 장면에서 생물이 만드는 다양한 물질을 이용하여 풍부하고 쾌적한 생활을 실현해 왔다.

광합성은 식물이나 조류 등의 클로로필(엽록소)을 갖는 생물이 광 에너지를 흡수·이용하여 대기 중의 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하여 부산물로서 산소를 발생하는 반응이다.
식물의 광합성 능력을 시각적으로 파악하는 실험으로서, 와세다 대학의 소노이케 연구실에서는 형광 CCD 카메라를 이용한 장치를 개발하고 있다. 왼쪽 사진은 디지털카메라로 촬영한 이른바 '외형' 사진으로 큰 잎의 일부가 옅은 녹색의 얼룩무늬로 되어 있으며, 녹색 부분에 비해 클로로필이 적은 것으로 추측된다. 또한 작은 잎은 주변 가장자리가 완전히 백색화되어 있습니다. 한편, 중앙·오른쪽의 사진은, 형광 CCD 카메라를 사용해, 클로로필로부터 나오는 형광의 강도를 계측한 것으로, 적→황→녹→청과 형광이 약해져, 전혀 형광이 없는 곳은 검게 보인다 .
중앙 사진은 클로로필에 의한 형광이 가장 강할 때의 상황을 나타내며, 클로로필의 유무를 알 수 있다. 예를 들어, 작은 잎의 둘레 부분은 검은색으로 되어 있기 때문에 엽록소가 없으며 광합성이 수행되지 않음을 알 수 있습니다. 한편, 오른쪽 사진은 클로로필에 의한 형광의 강약을 나타내고 있으며, 큰 잎의 옅은 녹색 부분은 광합성 능력이 낮다는 것을 알 수 있다.
형광 CCD 카메라에 의한 측정에서는 광합성 능력의 정량적인 측정은 불가능하지만, 광합성의 공간 분포를 직관적으로 이해하는 데 적합하다.

발효란, 미생물이 산소를 사용하지 않고 호흡을 실시(혐기 호흡), 인간에게 유용한 물질을 만드는 반응을 말한다. 특히, 된장이나 간장, 치즈나 요구르트 등의 발효 식품의 제조에 자주 사용된다.
된장을 예로 들면, 누룩(코지)에 포함되는 누룩균(곰팡이의 일종)이, 원료 중의 단백질이나 전분을 분해해, 우마미 성분이 되는 아미노산이나, 감미 성분이 되는 포도당(포도당)을 만든다. 글루코오스는 효모나 유산균의 영양원으로도 되어, 증식한 유산균으로부터 유산이 생성된다. 젖산은 산미 성분이 됨과 동시에 pH를 낮추어 효모가 생육하기 쉬운 상태를 만들어내고, 증식한 효모에 의해 향기 성분이 되는 알코올이나 에스테르 등이 생성된다. 이렇게 숙성이 진행되면, 이윽고 된장이 완성된다.
이러한 미생물에 의한 발효는, 식품의 제조에 이용되는 것 이외에도, 음식물쓰레기나 가축 분뇨, 미이용재 등의 생물 유래의 자원(바이오매스)으로부터 연료를 제조할 때도 이용되고 있다.

바이오매스는 생물(bio)의 양(mass)을 나타내는 생태학의 개념이며, 자원으로 본 경우는 화석 자원(석유, 석탄 등)을 제외한 생물 유래의 재생 가능한 유기 자원의 것을 말한다. 대표적인 바이오매스에는, 가축 배설물이나 식품 폐기물, 건설 발생 목재, 펄프 공장 폐액(흑액)이나 하수 슬러지 등 「폐기물계 바이오매스」, 간벌재나 전정 가지 등의 임지 잔재나, 벼 짚 야모미 껍질 등의 ‘미이용 바이오매스’, 옥수수와 나타나는 등 에너지와 제품의 제조를 목적으로 재배되는 ‘자원 작물 바이오매스’가 있다.
바이오매스는 발전이나 연료 등의 에너지 이용 외에 다양한 제품의 소재(머티리얼)로도 이용할 수 있다는 특징이 있다. 어떠한 이용 형태에서도, 바이오매스를 이용하기 쉬운 형태로 변환할 필요가 있고, 가스화, 액화, 발효 등의 기술이 이용되고 있다.
최근 화석 자원의 소비와 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 바이오 매스에서 플라스틱을 생산하는 기술이 주목받고 있습니다. 바이오 매스 플라스틱은 바이오 매스로부터 생성 된 플라스틱 원료를 화학적으로 중합하는 것, 미생물의 체내에서 바이오 매스를 중합시켜 생성하는 것 등이 있다.

생물은 자신의 몸의 유지나 운동·증식을 위해, 주위의 환경으로부터 에너지를 도입하고 있습니다. 우리 인간을 포함한 동물은 다른 생물이 합성한 유기물을 분해하여 에너지를 얻고 있습니다만, 광합성을 실시할 수 있는 식물은 태양광의 에너지를 이용하여 생육하고 있습니다. 전자와 같은 생물(동물 등)을 종속 영양 생물, 후자와 같은 생물(식물 등)을 광합성 독립 영양 생물이라고 합니다. 그렇다면 미생물은 어떻게 에너지를 얻고 있습니까?

미생물이란 맨눈으로는 판별할 수 없을 정도로 작은 생물의 총칭이며, 여러 종류의 생물이 포함되기 때문에 에너지 획득 방법도 실로 다양합니다. 동물과 마찬가지로 종속 영양상으로(유기물을 분해하여) 생육하는 것이나 식물과 같이 광합성을 하는 것도 있지만, 미생물 중에서도 특히 원핵생물(박테리아나 고세균)이 에너지를 획득한다. 수단은 매우 다양합니다. 종속 영양상으로 생육하는 박테리아 중에는 환경오염의 원인이 되는 석유중의 성분이나 발암성 물질 등, 동물에서는 매우 분해할 수 없는 유기물(난분해성 유기물)을 분해하여 에너지원으로 할 수 있다. 물건이 있습니다. 또한 유기물이 아니라 수소나 황화수소, 철 이온 등의 무기물로부터 에너지를 획득할 수 있는 것조차 있습니다. 이러한 미생물은 화학합성독립영양생물로 불리며, 태양광이 닿지 않는 심해에서도 해저화산과 열수분출공에서 솟아나는 에너지 물질(무기물)을 에너지원으로 생태계를 구축할 수 있습니다. 이처럼 미생물이 에너지를 얻는 능력은 매우 다양성이 풍부하고, 이러한 능력은 환경 정화 나 유용 물질의 생산 등 다양한 기술에 응용할 수 있습니다. 그 때문에 전 세계 연구자에 의해 신종 미생물의 탐색이나 에너지 대사의 메커니즘의 해명 등의 연구가 활발히 행해지고 있습니다. 향후 연구에 따라서는 종래의 상식을 뒤집는 능력을 갖춘 미생물이 발견되어 인류의 유용한 기술 개발로 이어질 것도 충분히 기대됩니다.