メタンと大気由来窒素ガスから得られるアンモニアをメタン酸化細菌で生物学的に有効活用し、腸に有益な栄養素を生産する

廃ガスを役立つ栄養に変える

メタンは鉱山、埋立地、農場から漏れる厄介な温室効果ガスと見なされがちであり、一方で空気中の窒素はエネルギーを大量に消費する工場で肥料に変えられることが多い。本研究は、これら両方のガスを回収して特殊な細菌に供給すると、栄養価の高いタンパク質-richな粉末が得られることを示す。さらに興味深いことに、この粉末を摂取させると、マウスの腸を保護し、腸炎の症状を軽減するのに役立つことが示された。この成果は、気候に優しいガス再利用と動物の健康を結び付け、廃棄されるガスが賢い飼料成分に変換される未来を示唆している。

さまよえるメタンを有用な飼料へ

中国や多くの国々では、化石燃料の採取や廃棄物処理現場から大量のメタンが漏出している。分散していてパイプ輸送が高コストであるため、このガスはしばしば単に燃焼され、その炭素は無駄にされる。一方、家畜生産者は飼料中のタンパク質供給に輸入大豆や魚粉に大きく依存している。著者らは、メタンを自然に代謝するメタン酸化細菌が、こうした二つの問題を同時に解決する手段を提供すると主張する。タンクで培養すれば、これらの微生物はメタンを「単細胞タンパク質」という乾燥バイオマスに変換でき、家畜飼料に混合することで耕作地や漁業への圧力を緩和しつつ、地域のガス資源を有効活用できる可能性がある。

大気由来アンモニアで細菌を育てる

これらのメタンを食べる細菌をよく増やすには、タンパク質の主要構成要素である窒素も必要だ。経済的に高価な硝酸塩の代わりに、研究チームは光と電気を使う新しいクリーンなプロセスで窒素ガスから作られるアンモニアに着目した。大気から分離した酸素は、細菌の呼吸需要を同時に満たすことができる。これらの化学工程と発酵を結びつければ、空気を窒素と酸素に分離し、窒素をアンモニアに変換し、メタンとともに三種のガスを細菌に供給して、飼料を必要とする農場の近くでタンパク質を生産する、コンパクトで地域密着型のシステムが作れる可能性がある。

微生物にとって安全なアンモニアを作る

重要な障壁は、アンモニアが多くの微生物にとって好ましい窒素源である一方で、メタン酸化細菌では一部誤って代謝され、有害な中間体であるヒドロキシルアミンを生み出して増殖を妨げることである。全ゲノムのトランスクリプト解析を用いて、研究者らはMethylotuvimicrobium sanxanigenensが硝酸塩の代わりにアンモニアで培養されたときにどのように応答するかをマッピングした。その結果、ヒドロキシルアミンの処理に関わる遺伝子群が強く活性化され、アンモニア供給下でヒドロキシルアミンとその下流生成物である亜硝酸が蓄積することが確認された。これらの知見を手掛かりに、研究者らはヒドロキシルアミンを細胞内で直接無害なアンモニアに還元する酵素、ヒドロキシルアミンレダクターゼを過剰発現させるように細胞を設計し、毒性中間体の蓄積を減らしてストレスを軽減した。

栄養価の高い細胞タンパク質の生産を高める

遺伝子的な調整だけでは不十分であり、アンモニアの供給量とタイミングも重要だった。著者らはアンモニアを段階的に添加し、毒性閾値以下に保つフィードバッチ戦略を開発した。3リットルの発酵槽では、この改変株は細胞密度とタンパク質生産性の両面で従来のアンモニアベース培養に比べて大幅に向上し、タンパク質生産性は18倍に達した。精密な測定により、得られた「メタン酸化細胞タンパク質」は必須アミノ酸を高濃度で含み、多量の多糖類も含有しており、栄養プロファイルは魚粉、卵、牛乳と比較しても遜色ないことが示された。抗炎症活性を持つ可能性のある低分子ペプチドの一部も検出され、エンドトキシンの安全性検査も通過しており、飼料成分としての利用を支持している。

腸を守り炎症を鎮める

この微生物由来タンパク質が基本的な栄養を超えた利益をもたらすかを検証するため、チームは化学的に誘導した大腸炎モデルマウスにこれを給与した。タンパク質を与えたマウスは体重減少が少なく、疾病スコアが低く、肉眼的により長く健康な大腸を示した。組織切片では潰瘍や構造的損傷が少なく、腸上皮のバリア形成に関わる主要タンパク質であるオクルディン（Occludin）の発現が回復した。結腸内の炎症性シグナルは低下し、抗炎症性シグナルは上昇した。同時に腸内微生物叢は有害種から短鎖脂肪酸など有益な化合物を産生するコミュニティへとシフトした。炎症軽減やエネルギー代謝の改善に関連する特定の代謝物が増加し、健常なマウスでもこのタンパク質摂取により腸バリアが強化され、より好ましい微生物叢が促進された。

より環境に優しい未来のためのガス→腸パイプライン

本質的に、本研究は気候と健康の橋渡しを行う：メタンと大気の窒素を機能性飼料成分に変換し、動物を養い、強靭な腸を維持するのに寄与する。かつてアンモニア利用を制限していた毒性の問題を解決することで、著者らはメタン給餌細菌が大気由来アンモニアで効率的かつ経済的に培養できることを示した。スケールアップされれば、このアプローチは廃棄メタン排出の削減、従来のタンパク質飼料への依存軽減、そして腸内からの健康支援を通じて動物生産における抗生物質や他の薬剤の必要性を減らす可能性がある。

引用: Gao, Z., Liu, Y., Jiao, S. et al. Biological valorization of methane and nitrogen gas-derived ammonia via methanotrophic bacteria for gut-beneficial nutrients. Nat Commun 17, 3803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70448-6

キーワード: メタン酸化細菌, 単細胞タンパク質, メタンのアップサイクル, 腸内マイクロバイオーム, 機能性飼料添加物