バイオ適応型単一Ni原子が高率の微生物電気合成でCO2からイソプロパノールを生成

廃ガスを有用なアルコールに変える

イソプロパノールは消毒用アルコールや電子部品用クリーナーでおなじみの化学物質で、現在は主に化石燃料由来の原料からエネルギー集約的な工場で製造されています。本研究は別の経路を探ります：電気と生きた微生物を使って室温で廃棄される二酸化炭素（CO2）をイソプロパノールに変換する方法です。研究者らは、栄養分と細胞が混ざった培地中でも安定に機能するよう設計したニッケル系触媒があれば、再生可能電力、産業から回収したCO2、遺伝子改変した細菌を連続的に結び付けられることを示しています。

なぜイソプロパノールとCO2が重要か

イソプロパノールは消毒剤、燃料添加剤、および半導体チップの洗浄などで広く使われる汎用の化学品であり、AIや先端エレクトロニクスの隆盛で市場は拡大しています。世界的な需要はすでに数十億ドル規模に達しており今後も成長が予測されています。現在ほとんどのイソプロパノールは、石油由来のプロピレンやアセトンを出発原料として高温・高圧と化石水素を用いて製造されており、CO2排出や困難な分離処理を伴います。もしCO2自体を出発物質にし、再生可能電力で駆動できれば、同じ化学品をはるかに小さいカーボンフットプリントで生産でき、場合によっては大気中へ放出されるはずだったCO2を有効活用することも可能です。

微生物を小さな化学工場として使う

本チームは、CO2、 一酸化炭素（CO）、水素（H2）などの単純な気体を取り込み、多炭素製品を生産できる一部の微生物を利用する「ガス発酵」の最近の進展を踏まえています。本研究では、気体混合物からイソプロパノールを生成できるように遺伝子改変した細菌Clostridium ljungdahlii株を用いています。精密な発酵試験によりCOの役割が重要であることが明らかになりました：微生物にH2とCO2だけを与えると、イソプロパノールはほとんど産生されず増殖も不良でした。COを加えるとイソプロパノール量は約140倍に上昇し、エタノールや酢酸など他の生成物の産生も大幅に増加しました。COは炭素を供給するだけでなく、細胞が代謝を駆動するために必要なエネルギーリッチな電子も供給するため、単独のH2よりも効果的な燃料となります。

生体培地での触媒の課題

COを必要に応じてCO2から供給するには、電極でCO2を反応させる電気化学セルに依存します。単純な塩溶液中では、銀はCO2をCOに変換する代表的な触媒です。しかしアミノ酸、ビタミンその他多数の有機分子を含む実際の微生物増殖培地では、銀の性能は著しく低下し、CO生成が1〜2桁減少します。高度な分光測定により、銀表面ではこれらの有機分子が電極に集積して反応部位を塞ぎ、CO2が到達できなくなることが示されました。より高い電圧をかけてある程度有機物が脱着しても、水素発生が優勢になり電子が無駄になってしまい、微生物への安定したCO供給という目的を損ないます。

生物環境に適合するニッケル単一原子

本研究の中核的な革新は、窒素ドープ炭素担体に固定された孤立したニッケル原子からなる「バイオ適応型」触媒です。このニッケル単一原子触媒は大型の金属粒子にならず、微小で分離された活性サイトのまま構造を保持します。標準的な電解液では既にCO生成の効率が優れていることが示されています。重要なのは、複雑な微生物培地においてもCO選択性をほぼ同等に維持し（約92％まで）、銀よりもはるかに高い活性を示す点です。触媒表面の振動や局所原子環境の測定は、銀とは異なりこの触媒が培地中の有機成分を強く結合しないことを示しています。計算シミュレーションもこれを支持します：アミノ酸や核酸塩基など典型的な培地分子は銀には容易に吸着するが、ニッケル単一サイト上では熱力学的に不利であることが示されました。その結果、混雑した生物学的環境下でもCO2はこれらのニッケル中心に近づき反応を起こすことができます。

動作するハイブリッドシステムとその意義

信頼できるCO源を得た研究者らは、ニッケル電極を遺伝子改変C. ljungdahliiの培養と結ぶ完全なハイブリッド反応器を構築しました。体温に近い温度（37 °C）で連続運転したところ、系は4日間にわたって安定した電流とガス組成を維持しました。その間、微生物は電気化学的に生成されたCO（および一部のH2）をイソプロパノール、エタノール、酢酸の混合物に変換しました。蒸発を考慮した後のイソプロパノール生産速度は、電流密度約10.8 A/m2で約161 mg/L/dayに達し、H2のみを電子源とした従来システムと比べても競争力があるかそれ以上です。重要なのは、長時間運転後の構造検査でニッケル単一原子触媒が無傷で残り、培養液への金属溶出が有意に起きていないことが確認された点です。

実験室示談からよりクリーンな化学品生産へ

端的に言えば、この研究は、生きた微生物を含むシステムに直接CO2と電力を投入しても、触媒が生物学的な複雑性に耐えうるように設計されていれば効率的な化学反応を継続して行えることを示しています。ニッケル単一原子触媒は選択的な門番のように振る舞い、栄養豊富な培地に浸かっていてもCO2に焦点を合わせ続け、微生物がイソプロパノールへと変換するための安定したCO供給を実現します。課題は残りますが—ガス生成速度と微生物吸収速度の整合、ガス拡散層の浸水防止、生成物回収の簡素化など—本研究は廃棄CO2から電力駆動で日用品化学品をよりクリーンに生産する有望な道筋を示しています。

引用: Zhou, G., Humphreys, J.R., Cheng, D. et al. Bioadaptive Ni single atoms unlock high rate microbial electrosynthesis of isopropanol from CO₂. Nat Commun 17, 1639 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68358-8

キーワード: CO2から化学品へ, 微生物電気合成, 単一原子触媒, イソプロパノール生産, ニッケル電極触媒