研究室VOICE 石油を作る微細藻類に遺伝子解析からアプローチ

微細藻類は陸上植物の祖先となる生き物です。陸上植物と同じように光合成をして、エネルギーを作って生きています。陸上植物の中にはオリーブやパームヤシのように、種子に油をたくさん貯めるものがいます。種子を集めて絞ると植物油ができます。微細藻類の中にも油を作るものがいて、その１つがボツリオです。

ボツリオは緑色の単細胞藻類です。１００個ほどの細胞が集まって群体を作っており、群体1つの大きさは０．１ｍｍくらいです。試験管に入れて光を当てると、かろうじて粒として見ることができます（写真１）。

ボツリオは細胞と細胞の間に多量の油（炭化水素）を蓄積しています（写真２）。ほとんどの藻類が生産する油は植物系ですが、ボツリオの油は石油の主成分と同じ炭化水素であることから、「石油を作る微細藻類」と呼ばれています。ボツリオをスライドガラスに乗せ、カバーガラスの上から圧力をかけると細胞から油がにじみ出ます（動画）。

培養条件によっては、全体重の５０％以上の油を生産することができます。これは、一般の植物では考えられないほどの生産性です。パームヤシと比較すると、１０～２０倍になるともいわれています。しかし、ボツリオは微細です。１ℓの水中での培養なら、1日あたり生産できる油は最大で０．３ｇ程度。燃料の実用化には、生産性の向上だけでなく大量培養も必要です。

ただ、ボツリオは微細藻類の中でも増えにくい藻なのです。細胞の数が倍になるには一般的な株で数日かかります。そこで、私の研究室では湖沼からボツリオの野生株を採取し、実験室にて同じ条件で培養して、増殖速度や油の生産速度を比べて優秀な株を探しています。

これまでに日本やインドネシアの２００カ所ほどの湖沼を調査して、約１０００株を見つけました。常時、２００～３００株を培養しています（写真３～５）。その中から、増殖速度が世界最速の株（ОＩＴ–６７８株）を発見することができ、２０２１年に論文発表をしました。それまでは、細胞の数が２倍になる株は最速で１．４日でした。ОＩＴ–６７８株は１．２日です。０．２日の違いをわずかと感じるかもしれません。しかし、１個の細胞の増え方を１２日後で比較すると、１．４日の株が約５００個になるのに対し、１．２日の株は約１０００個と倍になるのです。

私は農学で学位を取得し、元々はバラの交配育種や遺伝子の研究をしていました。２０１１年に本学に着任したのを機に、環境工学科にふさわしい新たなテーマに取り組みたいと考えました。大学のそばに淀川があり、城北ワンドには多くの生物が生息しています。学内には浄水技術や水環境の専門家も多くいます。また、２０１１年３月に東日本大震災が起き、エネルギー問題が注目を集めたことから、油を作る微細藻類に関心が向きました。

ボツリオのおもしろさは、外観上が同じように見えても、遺伝子解析をすると株ごとに想像以上の多様性があることです。塩基配列から見ると、バラのさまざまな品種ごとの違いよりもはるかに大きな遺伝的多様性があり、バラとイチゴやリンゴ（いずれもバラ科）との違いより大きな塩基配列の違いがあるかもしれません。バラの研究から、花の色やトゲの有無など、植物の特徴にどの遺伝子が関与しているかを調べるには、手元に多くの素材を集めて比較することが大事だと学びました（写真６）。そこで、ボツリオについても多くの野生株を採取して調べています。特徴や進化の歴史を遺伝子レベルから解明し、効率的な生産方法の開発にもつなげたいと考えています。

少なくともコスト面で化石燃料に対抗できるよう、油の生産速度を現在の５～１０倍に向上させなければなりません。これを実現するには、培養技術の改良や、野生株の探索のような従来のアプローチだけでは不可能だと考えています。ゲノム編集技術など、遺伝子の面からその生物の持つ潜在性を最大限に引き出すための「分子育種」を行えば、ひょっとしたら、農作物で実現してきたような劇的な収量の向上が実現できるかもしれません。

世界中にボツリオの研究者がいますが、ほとんどは基準株を使った培養技術の研究をしています。私のように自然界から株を集め、生態を調べている研究者はあまりいません。増殖速度の高い株やその他の特色ある株を利用し、その遺伝子情報を解析しながら、なぜ自然界にこれほど大きな遺伝的多様性があるのか、また、どのような仕組みでボツリオは油を合成し分泌しているのかを解明していきたいと考えています。このようなボツリオの基礎生物学に関する科学的知見を蓄積していけば、やがてボツリオの油を燃料にする産業の実用化の道筋が見えてくるかもしれません。