研究最前線

環境資源科学研究センター生体機能触媒研究チームの中村龍平チームリーダー（TL）は、これまで知られている光エネルギーでも化学物質のエネルギーでもなく、電気エネルギーを使って「深海の熱水噴出孔周辺では、有機物をつくり増殖する微生物がいることを突き止めた。中村TLは、地球内部の化学エネルギーと熱エネルギーが、電気エネルギーに変換されます。
その電気エネルギーに支えられた第三の生態系である“電気合成生態系”が存在する可能性もあります」と言う。
また、植物の光合成の仕組みに学び、雨水や海水から次世代のクリーンエネルギーとして注目されている水素をつくることができる人工マンガン触媒の研究にも取り組んでいる。一見無関係のように思える二つの研究を結び付けるキーワードは、電子の流れと生命進化だ。物理化学を基礎とした材料科学、生物学、地球科学、工学にわたる幅広い知見と、高度な計測技術に支えられた革新的な研究を紹介しよう。

電子の流れから探る生命進化■ 熱水噴出孔は燃料電池
中村 TL は 2009 年ごろのある日、論文雑誌を読んでいて1 枚の写真に目をとめら染み込んだ海水が地球内部で熱せら

一方、燃料電池とは、負極に電子をれ、数百度の熱水となって海底から噴き渡す燃料（負極剤）と正極から電子を受出している場所をいう。熱水は地球内部け取る燃料（正極剤）を供給することで、た。
「深海底にある熱水噴出孔の写真での岩石と反応し、銅や鉄、硫黄、水素継続的に電力を取り出せる装置をいう。

した。その構造を見たとき、地球をエネなどさまざまな成分が溶け込んでいる。

現在の燃料電池の多くは、負極剤に水ルギー源とした巨大な燃料電池ではな

噴出した熱水は海水で急激に冷やされ、素、正極剤に酸素が使われている。

いか、と思ったのです」と振り返る。

析出した金属成分が柱状に堆積する。

「熱水噴出孔の内壁面は熱水で満たさ巨大なものは高さ50m 以上にも達する。

れ、熱水には電子を放出しやすい硫化熱水噴出孔とは、海底の断層などか

約 46 億年前

約 27 億年前

地球誕生

約 38 億年前

約 4 億年前

葉緑体酸素発生型光合成生物の出現

現在

陸上植物の出現約 20 億年前

生命誕生

真核生物の出現光エネルギー
N

光合成生物

NN

O

O

CCO

酸素発生型光合成生物は、光エネルギーを使い、マンガンを含む酵素を利用して水（H2O）を分解して電子（e−）を獲得し、その電子を用いて二酸化炭素（CO2）から有機物をつくる。生体マンガン酵素の構造を模倣した人工マンガン触媒の開発が行われている。

OC

O

O
O

CO

生体マンガン酵素（光合成反応中心Ⅱ）

O2＋4H＋C
N

N

2H2O

O

N

O
O

Ce−

O

N

マンガンCO2

H 2S や H 2 に有機物

化学合成生物

富む熱水

CO2

微生物

電気合成生物

O2 に

有機物

H 2O

富む海水

O2

微生物−

e−

CO2e−ee−e−

H 2S
Se−
マグマ

図 1 生命進化と電子の流れ

02 R I KE N NE WS 2016 M arc h

有機物

熱水噴出孔

Fe や S などに富む堆積物

海水

深海の熱水噴出孔では、堆積物の内壁面が熱水中の硫化水素（H2S）や水素（H2）から電子（e−）を受け取り、堆積物の外壁面が海水中の酸素（O2）に電子を渡すことで、堆積物中を電子が移動し、電気が流れる。これは燃料電池と同じ仕組みである。熱水噴出孔には、この電気を利用して CO2 から有機物をつくる生物が生息していると考えられている。初期の生命も電気合成生物だった可能性がある。写真は、深海底から採取し、実験に用いた熱水噴出孔の鉱物。鉄（Fe）や硫黄（S）などを含み、電気を通し、熱電変換能を持つ。

撮影：STUDIO CAC

中村龍平（なかむら・りゅうへい）

環境資源科学研究センター
生体機能触媒研究チーム
チームリーダー。大1976年、北海道生まれ。博士（理学）

阪大学大学院基礎工学研究科博士課程修了。米国ローレンス・バークレー国立研究所博士研究員、東京大学大学院工学系研究科助教などを経て、2013年より現職。

水素や水素がたくさん含まれています。

■ 熱水─海水燃料電池の発電に成功呼んでいる。使用した LED ライトの消外壁面は海水に接し、海水には電子を熱水噴出孔は天然の燃料電池である

費電力は 21mW と微小だが、電極の素受け取りやすい酸素や硝酸イオンが含まという発見は、思わぬ展開を見せた。
「熱材や大きさなどを工夫することで、このれています。そして、熱水と海水の間に水噴出孔の堆積物を介さなくても、熱水

人工熱水噴出孔では 2.6kW、一般家庭ある堆積物は電気を通す物質に富んで側と海水側に電極を置いて電線で結べ5〜6 軒分の電力を取り出せると試算さいます。堆積物に、硫化水素から電子ば、原理的には発電が可能なはずです。

れている。海底地震計など深海におけを受け取り酸素に電子を渡す触媒の機

そこで 2012 年、沖縄トラフの人工熱水

る長期の定点観測は重要だが、電源の能もあれば、熱水側から海水側へ電子噴出孔で発電実験を行いました。山本

確保が難しかった。熱水─海水燃料電が移動し、電気が流れます。これは、まさんがプロジェクトリーダーとなり、そ池ならば、燃料は無尽蔵にある。負極にさに天然の燃料電池です」（図1）の共同研究者として私も研究船に乗っ硫化鉱物が付着しても、それが燃料とて実験に参加しました」

なり、また電極としても機能するため、中村 TL は、すぐに海洋研究開発機構長期間電力供給が可能だ。熱水─海水（JAMSTEC）の山本正浩 研究員に連絡負極として熱水側にイリジウムを塗布を取った。山本研究員は、深海の熱水したチタン網を、正極として海水側に白

燃料電池は深海での研究や開発の進展による物質・エネルギー循環や熱水噴出金を塗布したチタン網を配置し、電線でに大きく貢献すると期待されている。

孔周辺の生態系について研究している。

つないで間に LED ライトを入れて発電「熱水噴出孔の堆積物は電気を流し、か実験を行った（図 2）。
「水深 1,000m での■ 電気合成生態系が存在？

つ触媒としての機能を持っているに違い実験のため、電極の設置や配線のトラブ「熱水─海水燃料電池は注目を集めてない。この仮説を確かめるために、深海ルが続きました。そして実験に使える時います。しかし、私の興味は実は別なとから採取してきた鉱物を解析させてほし間が尽きる寸前に、赤色のライトが深海ころにありました。熱水噴出孔で電気がいとお願いしました」

底にともったのです。無人探査機から送つくられているのならば、その電気エネられてくる映像を見つめていた人たちかルギーを利用して生きる生物がいるのでら大きな拍手が起こりました」

はないかと考えていたのです」

山本研究員はその仮説に興味を持ち、共同研究がスタート。JAMSTEC が以前採取し保管していた熱水噴出孔の鉱このシステムを、熱水と海水を燃料と地球上の生物はすべて、太陽の光エ物を入手できた（図 1、表紙）。
「電気化することから 熱水─海水燃料電池 とネルギーを利用して有機物をつくる植物学的な解析をすると、予想以上に鉱物は電気を通しました。しかも、電子を受け渡しする触媒の機能もあることが分かりました。熱水噴出孔における新たなエネルギー輸送メカニズムだと、
LED ライト山本さんと共に興奮しました」。その後、鉱物は、温度差によって電位差が生じ熱水LED ライト

熱水負極（熱水側）正極（海水側）て電気が流れる熱電変換の性質もある正極（海水側）

人工熱水噴出孔

負極（熱水側）ことが分かった。熱水噴出孔周辺では、地球内部の化学エネルギーと熱エネル

人工熱水噴出孔
図 2 人工熱水噴出孔における熱水─海水燃料電池の発電実験

ギーが、電気エネルギーに変換されて

左は熱水─海水燃料電池の全体写真。熱水側と海水側に電極を設置して電線でつなぎ、その間にLED ライトを入れてある。
右は 3 個の赤色の LED が点灯した様子。人工熱水噴出孔とは、海底下の熱水だまりから海底面までパイプを通し、パイプの先端から熱水が噴き出すようにしたもの。
（提供：海洋研究開発機構）

いるのだ。

R I K E N N E W S 2 0 1 6 M a rc h 03

研究

最前

線関連情報

2015年9月25日プレスリリース
電気で生きる微生物を初めて特定2014年6月30日プレスリリース
中性の水から電子を取り出す「人工マンガン触媒」を開発を一次生産者とする光合成生態系に属物に注目しました」（図 3）できます。ほかのグループにはない、非常に高度な技術を持っていることで、初していると、考えられていた。ところが

それは、鉄イオンを酸化したときに発1977 年、地球内部から湧き出す海水に生する化学エネルギーを利用して有機含まれる硫化水素などの化学物質のエ物をつくり出す化学合成生物の一種であネルギーを利用して有機物をつくる微生る。
「銅鉱石の精製過程で使われるなど■ 深海に電気で生きる微生物を探す物が深海で発見され、研究者たちを驚

工業的にも有用な微生物で、ゲノムが解「次は熱水噴出孔に電気で生きる微生かせた。その微生物を一次生産者とす読されています。培養も比較的簡単で、物がいるかどうかを調べたい」と中村 TLるのが化学合成生態系である。もし、電性質を調べやすいと考えたのです。電気は意 気込む。2015 年１月、JAMSTEC

気エネルギーを利用して有機物をつくるエネルギーを利用するには、細胞の外での山本研究員らと共同で、熱水噴出孔か微生物を一次生産者とする第三の生態電子を受け取り、それを細胞の中に運びら堆積物を通ってどこまで電気が伝わっ系“電気合成生態系”が見つかれば、生込まなければならず、細胞膜の外側に電ているかを調べた。3 週間にわたる研究

物学の常識を覆す発見となる。

子の伝達を担うタンパク質が不可欠で航海だった。
「熱水噴出孔から数 m 以上めて得られた成果です」

中村 TL らはまず、熱水噴出孔周辺かす。ゲノムと生化学研究から電子伝達タ離れた場所でも電気が伝わっていたこと

ら採取した微生物の中から電気エネルンパク質を持つことが分かっていたことから、電気エネルギーを利用する微生物ギーを利用している微生物を発見しよも、この微生物を選んだ理由です」

は広範囲に生息している可能性がありまうとした。しかし、深海の微生物のほと化学エネルギー源となる鉄イオンが存す。人工熱水噴出孔で微生物の培養実んどは地上で培養することができず、在せず、電気が流れる環境で実験を行っ験も始まっています。電気を流した場所その性質を調べることは困難だ。そこた。微生物を電極に付着させると、微弱と流さない場所で微生物の種類や数にで、考え方を変えた。
「生物共通祖先はな電流が流れた。時間が経過すると電違いがあれば、電気で生きる微生物の熱水噴出孔の周辺で生まれたという説流は増大した。
「電流が流れるのは、微存在証明になるでしょう」

が有力です。であれば、身近な微生物生物が電極から電子を取り込んでいる

生命の起源をめぐる謎を解き明かそうの中にも、電気エネルギーを利用してい証拠です」と中村 TL。電極から電子をと、多くの研究者が取り組んできたが、るものがいるかもしれません。そこで、取り込んだ微生物は、その電子を利用しその答えはいまだ得られていない。
「地て二酸化炭素から有機物をつくり出して球最初の生命は水素のエネルギーを利いた。さらに、微生物は増殖することも用する化学合成生物だという説が有力確かめられた。電気のエネルギーで生きです。私は、地球最初の生命は電気合る微生物を特定したのだ。

成生物だった可能性もあると考えていま

ア シ デ ィ チ オ バ チ ル ス

フ ェ ロ オ キ シ ダ ン ス

Acidithiobacillus f errooxidans という微生CO2有機物

電気エネルギー

1 m
図 3 Acidithiobacillus ferrooxidans の電子顕微鏡写真
鉄イオンをエネルギー源としている化学合成生物の一種。
鉄イオンがなくても電気エネルギーを利用して二酸化炭素から有機物をつくり出し、増殖もする。

04 R I KE N NE WS 2016 M arc h

中村 TL らの研究グループは、代謝経す。少なくとも、電気エネルギーを使っ路も明らかにした。微生物はわずか 0.3Vて生命に必要な物質が合成されたりしの小さな電位差を、外膜から内膜の間て、電気が生命誕生に大きく関わったので 1V 以上にまで高めていることも分は間違いないでしょう」

かった。熱水噴出孔でつくられる電気は微弱だが、この昇圧の機能があれば、■ 植物に学ぶ人工マンガン触媒

その電気を利用して生きていくことがで地球上に生命が出現したのは約 38 億きるだろう。
「私たちは、小さな電流の年前といわれている。
「生命進化におけ変化を長期間にわたって計測することがる大きなイベントの一つが、約 27 億年

電子

酸素生成量
︵︶
mol

Mn2＋

OH

プロトン

OH

OH2
Mn3＋

た
し加添を基 境
塩 環
③ 中性

プロトン

②アルカリ環境

Mn2＋

①中性環境

OH2

図 4 人工マンガン触媒の水分解反応における電子とプロトンの輸送と酸素生産量

30

Mn3＋

20
15

③ 中性
（pH＝7.5）

K＋

塩基あり

10

① 中性
（pH＝7.5）50

前の酸素を発生させる光合成生物の誕② アルカリ（pH＝13）

25

塩基なし

03060

時間
（分）

90

酸素マンガン■ 電子とプロトンの移動の水分解過程において、生体マンガン酵素では電子とプロトンが同時に移動する。人工マンガン触媒の場
合、中性環境では電子が先に移動し（①）
、アルカリ環境ではプロトンが先に移動する（②）
。プロトン受容力の大きな塩基を添加すると、中性環境でも電子とプロトンが同時に移動するようになる（③）
。プロトン受容力が高いγ - コリジンを添加すると、中性環境でも水分解により生成される酸素の量が増加した
ことから、水分解活性が増大したことが分かる。右は、人工マンガン触媒に用いている酸化マンガンの構造。

発生量の 60％に達した（図 4 中）。
「強アタイミングが鍵

ルカリ環境にするなど力ずくで活性を上生物にも興味があります。熱水噴出孔に中村 TL は、なぜ人工マンガン触媒がげていく方法では、いずれ限界に達しま生きる生物とはまったく異なる方法で環中性環境では活性が低くなるのかを探っす。自然の摂理に反しているからです。

境から電子を獲得し、生命活動を営んた。その結果、問題は電子とプロトンの生物に学び活性を上げる新しい戦略をでいるからです」

移動のタイミングであることが分かっ示したという点で、この成果は多くの人植物など酸素発生型光合成生物は、た。生体マンガン酵素では、水が分解に注目していただいています」

光エネルギーを使って水を分解して電されるとき、電子とプロトンが同時に移しかし中村 TL は、「まだまだ植物には子を獲得し、その電子を用いて二酸化動する。一方、人工マンガン触媒の場かなわない」と言う。植物は持続的に水炭素から炭水化物をつくっているのだ

合、中性環境では電子が先に移動し、分解反応を行うことができるが、人工マ（図1）。この光合成反応は近年、生物学プロトンが遅れて移動する（図 4 左）。
「電ンガン触媒は次第に活性が落ちてしまだけでなく工学の研究者からも非常に注

子はマイナス、プロトンはプラスの電荷う。
「持続性や安定性の実現が今後の課目されている。
「水分解反応では、電子を帯びています。別々に移動することで題です。植物はつくり出したエネルギーと一緒に酸素と水素イオン（プロトン）電気的なバランスが崩れてしまい、反応の一部を自分の修復に使っています。私ができます。水素は燃料電池の燃料にが進まないのです」と中村 TL は解説すは、その修復に注目しています」。中村

もなるなど次世代のクリーンなエネルる。
「電子とプロトンの移動のタイミング

TL は、光合成の始まりにも興味がある。

ギー源として注目されています。そこで、を整えることができれば、中性環境でも「光合成は酸素をつくり出す強力な酸化この水分解反応を人工的に効率よく行っ反応がスムーズに進むはずです」

作用なので、生物にとっては非常に危険生です。私は、この酸素発生型光合成て水素を製造しようという人工光合成の生体マンガン酵素を詳しく調べてみるな反応です。生物は自分がダメージを受研究が盛んに進められているのです」と、その周りにアミノ酸がたくさんあり、けるというリスクを取ることで、無尽蔵植物の水分解反応は、マンガンを含それらがプロトンを受け取ることで電子な水の利用を可能にしたのです。その仕む酵素によって進む。そこで、生体マンとプロトンの同時移動を可能にしている組みを生物がどのようにつくり上げてきガン酵素と構造が似ている酸化マンガことが分かった。ということは、プロトたかを知りたいのです」

ンを使った人工マンガン触媒が開発されンを受け取る力が大きい塩基を添加す

中村 TL は、「生物に学び、その仕組てきた（図 4 右）。しかし、「まだ植物のよれば、人工マンガン触媒でも電子とプロみを人の支えになることに使いたい」とうに水分解反応ができる段階にはない」

トンが同時に移動するのではないか。中言う。
「生物の光合成と電気合成の仕組と中村 TL。植物は雨水など中性の水を村 TL は、そうひらめいた。

みとその進化の過程を理解することは、分解できる。それに対して人工マンガン

そこでプロトン受容力が大きい塩基を現代社会にとって重要な技術である太触媒は、強酸性や強アルカリ性の水では5 種類選び、それぞれを中性の水に添加

陽電池や燃料電池などの開発にもつな反応が進むが、中性の水では活性が大して人工マンガン触媒の活性を測定しがると考えています。光の当たる生態系きく低下してしまうのだ。
「中性の水でた。すると予測どおり、プロトン受容力と光の当たらない生態系の両方を、しかも効率的に反応させたい。そうすれば、が大きい塩基の方が、活性が高くなっも電子の流れという視点で研究している雨水や海水からでも水素をつくれるようた。最もプロトン受容力が大きいγ- コ

研究者は、ほとんどいません。その特性になります。そのためには、触媒の構造リジンという塩基を添加すると、活性はを活かして革新的な研究をしていきたいだけでなく、植物の水分解反応の仕組15 倍になり、水が分解されて発生するですね」

みをもっと学ぶ必要があります」

酸素の量は増加し、強アルカリ環境での（取材・執筆：鈴木志乃／フォトンクリエイト）

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