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図 1 生物学の広がり生物学の広がり 5

応用: 医療・食料・環境

みそやしょうゆを作る麹菌、毎日食べるお米の品種、ペットボトルを分解する細菌、AI で読み解くタンパク質の形。生き物のしくみを、食べ物・医療・環境の課題に役立てる分野です。

米麹の入った木の箱、実った稲穂、細菌を育てる培養皿、タンパク質の立体の形が映る画面を囲んで話し合う学生たち

ひとことで言うと

職人の技を、科学で受け継いで広げる

昔の職人は、麹やお米を経験と勘で上手に扱ってきました。生物学は、その中で働く微生物や遺伝子のしくみを明らかにします。しくみが分かると、品質をそろえたり、新しい食品や薬、環境を守る技術を生み出したりできます。

01

発酵: 目に見えない微生物が、食べ物をつくる

日本酒・みそ・しょうゆは、麹菌というカビの力で作られます。麹菌は、お米や大豆のデンプンやタンパク質を分解する酵素を出します。日本醸造学会は 2006 年、麹菌を日本を代表する微生物「国菌」に認定しました。

2005 年には、国内の大学・企業・国の研究所のグループが、麹菌のゲノムを読み終えました。8 本の染色体に、約 1 万 2 千個の遺伝子があると推定されています。麹菌の祖先は、カビ毒を作る野生のカビと考えられています。日本で使われている麹菌はカビ毒を作らないことが、ゲノムの解析からもはっきりしてきました。

パンがふくらむのは、酵母が糖を分解して二酸化炭素を出すアルコール発酵のおかげです。微生物の働きを調べて使いこなす技術は、食品だけでなく、医薬品や化学製品づくりにも広がっています。

微生物の働きを知ると、昔からの技をもっと確かなものにできます。

図解パンがふくらむしくみを計算する

入力ブドウ糖 180 g(1 mol)を、酵母がアルコール発酵する
  1. 1C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
  2. 2エタノール 2 × 46 g = 92 g
  3. 3二酸化炭素 2 × 44 g = 88 g
結果二酸化炭素の泡が生地をふくらませる。エタノールの多くは焼くときに蒸発する
白い米粒がびっしりと並び、表面が白い菌でうっすらとおおわれている
米に麹菌を生やした米麹。日本酒やみそ、甘酒づくりに使われます。写真: Forrest O.(CC BY-SA 2.0・Wikimedia Commons)

02

品種改良: コシヒカリから、ゲノム編集の食品まで

コシヒカリの両親のかけ合わせは、1944 年、戦争中の新潟県農事試験場で行われました。病気に強い「農林 22 号」と、収量が多くおいしい「農林 1 号」です。人手不足でまけなかった種は保存され、1946 年に育てられました。

1948 年、選ばれた株は福井の試験場に引き継がれました。その年に起きた福井地震でも、株は奇跡的に被害を免れました。のちのコシヒカリになる系統は、おいしい反面、背が高く倒れやすく、いもち病に弱い欠点がありました。育てた石墨慶一郎さんは、捨てようかと迷いながらも、全国の試験場に試作を頼みました。

いまは、狙った遺伝子だけを変えるゲノム編集も使われています。2020 年 12 月、GABA という成分を多く含むトマトが、日本で初めてゲノム編集食品として届け出られました。2021 年 9 月には販売が始まっています。消費者庁の一覧には、2026 年 8 月時点で、身の多いマダイや早く育つトラフグなど 13 件が載っています。

品種改良は、かけ合わせの時代から、遺伝子を読んで選ぶ時代へ進んでいます。

図解品種改良の 2 つの方法

かけ合わせ

  • 両親の良い性質を組み合わせる
  • 何世代も選び続けて仕上げる

ゲノム編集

  • 狙った遺伝子だけを変える
  • 組換え食品に当たらないか事前に確認
金色に実った稲穂が手前に広がり、奥に瓦屋根の家と木々が見える
実りの季節の田んぼ。毎日食べるお米も、長い年月をかけた品種改良から生まれています。写真: Akiyoshi's Room(Public domain・Wikimedia Commons)

03

環境を守るバイオ: ペットボトルを分解する細菌

ペットボトルや衣服に使われる PET は丈夫で、自然の中ではなかなか分解されません。PET を酵素で分解できるのは、ごく一部のカビだけだと考えられていました。

2016 年、京都工芸繊維大学と慶應義塾大学の研究グループは、PET にふれている環境の微生物を調べました。そして、PET を主な栄養にして育つ新しい細菌を見つけました。イデオネラ・サカイエンシスと名付けられた細菌です。

この細菌は 2 種類の酵素を出し、PET を、原料のテレフタル酸とエチレングリコールにまで分解します。酵素の力で、使い終わった PET を原料に戻すリサイクルに生かす研究も進められています。

自然の中の微生物が、環境の課題を解くヒントを持っています。

図解細菌が PET を分解するまで

  1. 1PET の上で育つPET を栄養にして細菌が増える
  2. 21 つめの酵素PET を切って、中間の物質にする
  3. 32 つめの酵素テレフタル酸とエチレングリコールに
  4. 4栄養にする細菌が取り込んで育つ

04

生命情報学: DNA とタンパク質を、データで読む

読み取られた DNA の配列は、世界のデータバンクが協力して集め、公開しています。日本の DDBJ(国立遺伝学研究所)と、アメリカ、ヨーロッパのデータバンクです。研究者はこのデータを比べて、遺伝子の働きや生き物どうしの関係を調べます。

タンパク質の働きは、アミノ酸の鎖が折りたたまれてできる立体の形で決まります。アミノ酸の並びから形を予測するのは、1970 年代からの難問でした。2020 年、ハサビスとジャンパーは AI のモデル AlphaFold2 を発表しました。知られている約 2 億種類のタンパク質の、ほぼすべての形を予測しています。

AlphaFold2 は 190 か国の 200 万人以上に使われ、2 人は 2024 年のノーベル化学賞を受けました。生物学と情報科学の両方を学ぶと、薬の開発や品種改良など、活躍できる場が大きく広がります。

実験とデータの両方を使いこなすのが、これからの生物学です。

05

大学での学び方と、つながる仕事

多くの大学では、微生物学・生物工学・遺伝子工学・生命情報学などを学びます。実験は、細菌や酵母をほかの菌が混ざらないように育てる無菌操作から始めます。酵素の働きを測ったり、プログラムを書いて遺伝子のデータを調べたりもします。内容は大学によって異なります。

再生医療の研究では、細胞を育てて組織を作る技術が欠かせません。農学部・工学部・薬学部にも近いテーマの研究室があり、学部をまたいで研究が進んでいます。

仕事では、食品・調味料・酒類のメーカー、製薬会社、種苗会社などにつながります。県の農業試験場、環境やエネルギーの会社、データ解析の会社で働く人もいます。コシヒカリのように、試験場の研究から全国に広がる品種が生まれることもあります。

クイズ応用の生物学クイズ

本文を思い出しながら答えてください。

  1. Q1日本醸造学会が 2006 年に「国菌」に認定した微生物は?

  2. Q2のちにコシヒカリになる系統の欠点は?

  3. Q3日本で初めて届け出られたゲノム編集食品は?

0 / 3 問に回答

高校生のうちに試せること

  • 温度を変えて、パン生地のふくらみを比べる

    小麦粉・水・砂糖・ドライイーストをこねた生地を、3 つの透明なコップに同じ量ずつ入れましょう。冷蔵庫・室温・ぬるま湯の中に置き、30 分ごとに高さを記録すると、酵母の発酵が温度でどう変わるかが分かります。

  • ゲノム編集食品の一覧を読む

    消費者庁のサイトには、届け出られたゲノム編集食品の一覧があり、それぞれの概要の資料を読めます。どの遺伝子をどう変えて、どんな性質にしたのかを、本文の品種改良の方法と見比べてみましょう。

    消費者庁「届出された食品及び添加物一覧」(ゲノム編集技術応用食品等)
  • AI が予測したタンパク質の形を見る

    AlphaFold Protein Structure Database では、AI が予測したタンパク質の立体の形を無料で見られます。画面は英語ですが、「hemoglobin」や「insulin」など知っている名前で検索し、形を回してみましょう。

    AlphaFold Protein Structure Database

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よくある質問

生物学科と、農学部や工学部の生物系の学科は、どう違いますか?

生物学科は生命のしくみそのものの解明に、農学部や工学部の生物系の学科は食料・医薬品・環境など人の役に立てる面に重点を置くことが多いと説明されます。基礎の科目は共通する部分も多く、分け方は大学によって違うので、研究室の内容で比べると分かりやすくなります。

生き物の実験と、プログラミングの両方が必要ですか?

実験が中心の研究室も、データ解析が中心の研究室もあります。最近は、実験で得た大量のデータをコンピュータで調べる場面が増えています。大学では基礎から学べるので、高校のうちは情報の授業でプログラミングに少しふれておくと役立ちます。