地球温暖化やエネルギー問題が深刻化する現代、その解決のヒントが、実は何十億年も前の地球に隠されているかもしれません。マサチューセッツ工科大学（MIT）のある化学者は、生命が誕生したばかりの原始の地球で細胞が使っていた「古代の酵素」に注目しています。これらの酵素は、金属原子のクラスターを巧みに利用し、現代の私たちが直面するエネルギー問題や環境問題に対する、全く新しい解決策を秘めている可能性があるのです。一体、太古の酵素からどのような未来が拓けるのでしょうか？細胞が困難な反応を実行するために用いる酵素を研究することで、マサチューセッツ工科大学（MIT）の化学者であるダニエル・スース博士（Daniel Suess, PhD）は、地球規模のエネルギー課題に対する新たな解決策を見つけ出すことを目指しています。
地球の気候危機への解決策を見出すために、MITの准教授であるスース博士は、地球の古代の過去に目を向けています。生命進化の初期において、細胞は、ある原子から別の原子へ電子を移動させるような反応を行う能力を獲得しました。これらの反応は、細胞が炭素含有化合物や窒素含有化合物を構築するのを助け、金属原子のクラスターを持つ特殊な酵素に依存しています。これらの酵素がどのように機能するのかをより深く理解することで、スース博士は最終的に、大気中から炭素を回収したり、代替燃料の開発を可能にしたりするのに役立つ、基本的な化学反応を行う新しい方法を考案したいと考えています。
「私たちは、社会が単に膨大な量の還元型炭素、つまり化石燃料に依存し、それを酸素を使って燃焼させるだけではないように、社会を再構築する方法を見つけなければなりません」と彼は言います。「私たちが行っているのは、酸素や光合成が登場する最大10億年前まで遡り、炭素燃焼に依存しないプロセスの根底にある化学原理を特定できるかどうかを調べることです。」
彼の研究はまた、窒素ガスからアンモニアへの変換といった、他の重要な細胞反応にも光を当てる可能性があります。これは合成肥料の生産における重要なステップでもあります。
化学の探求
ワシントン州スポケーンで育ったスース博士は、幼い頃から数学に興味を持っていましたが、最終的にはウィリアムズ大学で化学と英文学を専攻しました。同大学を選んだのは、その魅力的なコースの選択肢があったからだと言います。
「私はリベラルアーツモデルに重点を置いた学校に興味があり、ウィリアムズ大学もその一つでした。そして、本当に興味深いコースと、自分が受けたい授業を受ける自由との組み合わせがちょうど良いと思ったのです」と彼は語ります。「化学を専攻するつもりで入学したわけではありませんでしたが、化学の授業と化学の先生方が本当に楽しかったのです。」
授業では、化学のあらゆる側面を探求し、そのすべてに魅力を感じたと言います。
「有機化学は、ものを作ることに重点が置かれているので好きでした。そして物理化学は、少なくとも半定量的な方法で世界を理解しようとする試みがあったので好きでした。物理化学は、量子力学やその原子・分子への応用など、20世紀の科学における最も重要な発展のいくつかを記述しています」と彼は言います。
大学卒業後、スース博士は大学院進学のためにMITに来て、カリフォルニア工科大学（カルテック）から移ってきたばかりの化学教授ジョナス・ピータース（Jonas Peters）のもとで研究を始めました。数年後、ピータースは結局カルテックに戻ることになり、スース博士もそれに従って、無機分子の新しい合成方法に関する博士論文の研究を続けました。
彼のプロジェクトは、鉄やコバルトのような金属が配位子として知られる非金属基に結合した分子に焦点を当てていました。これらの分子内では、金属原子は通常、配位子から電子を引き込みます。しかし、スース博士が取り組んだ分子は、金属が自身の電子を配位子に与えるように設計されていました。このような分子は、窒素ガス中の窒素-窒素三重結合のような非常に強い結合を切断する必要がある困難な反応を加速するために使用できます。
カリフォルニア大学デービス校での博士研究員時代に、スース博士は研究の方向性を変え、生体分子、具体的には金属タンパク質の研究を始めました。これらは、活性部位に金属が組み込まれており、そこで反応の触媒を助けるタンパク質酵素です。
スース博士は、細胞がこれらのタンパク質内の金属含有活性部位をどのように合成するかを研究し、鉄-鉄ヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素に焦点を当てました。この酵素は、主に嫌気性細菌に見られ、ヒトの消化管に生息する一部の細菌も含まれ、プロトンと電子の移動を伴う反応を触媒します。具体的には、2つのプロトンと2つの電子を結合させて水素ガスを生成したり、逆反応として水素ガスをプロトンと電子に分解したりすることができます。
「多くの細胞代謝プロセスが過剰な電子を生成したり、逆に過剰な電子を必要としたりするため、この酵素は非常に重要です。過剰な電子を生成した場合、それらはどこかへ行かなければならず、一つの解決策はプロトンに乗せて水素ガスを作ることです」とスース博士は言います。
地球規模の反応
2017年にMITの教員になって以来、スース博士は金属タンパク質とそれらが触媒する反応の研究を続けています。
「私たちは地球規模の化学反応、つまり微視的なスケールで起こっているけれども巨大なスケールで発生している反応に興味があります」と彼は言います。「それらは地球に影響を与え、生物圏の分子的構成が何であるか、そして将来どうなるかを決定してきました。」
約24億年前に出現した光合成は、大気を酸素で満たし、最も大きな影響を与えてきましたが、スース博士は、大気に酸素がなく、細胞代謝が呼吸によって駆動できなかった、さらに初期に細胞が使い始めた反応に焦点を当てています。
これらの古代の反応の多くは、今日でも細胞によって使用されており、鉄硫黄タンパク質と呼ばれるクラスの金属タンパク質が関与しています。これらの酵素は、あらゆる生物界で見られ、炭素ラジカルの形成や窒素からアンモニアへの変換など、細胞内で起こる最も困難な反応の多くを触媒することに関与しています。
これらの反応を触媒する金属酵素を研究するために、スース博士の研究室は2つの異なるアプローチを取っています。一つは、より少ない金属原子を含む可能性のあるタンパク質の合成バージョンを作成することです。これにより、タンパク質の組成と形状をより細かく制御でき、研究が容易になります。
もう一つのアプローチでは、タンパク質の天然バージョンを使用しますが、金属原子の一つを同位体に置換することで、分光学的技術を用いてタンパク質の構造を分析しやすくします。
「これにより、酵素の静止状態における結合だけでなく、分光学的にしか特性評価できない反応中間体の結合や構造も研究することができます」とスース博士は言います。
酵素がこれらの反応をどのように実行するかを理解することは、研究者が二酸化炭素を他の分子と結合させてより大きな化合物を生成することにより、大気中から二酸化炭素を除去する新しい方法を見つけるのに役立つ可能性があります。窒素ガスをアンモニアに変換する代替方法を見つけることも、温室効果ガス排出に大きな影響を与える可能性があります。現在、肥料の合成に使用されているハーバー・ボッシュ法は、膨大な量のエネルギーを必要とするためです。
「私たちの主な焦点は自然界を理解することですが、社会に影響を与える効率的な反応を行うために生物学的触媒をどのように結びつけるか、さまざまな方法を検討する中で、その配線がどのように機能するかを知る必要があると思います。そして、それが私たちが解明しようとしていることです」と彼は言います。
写真；ダニエル・スース博士（Daniel Suess, PhD）
