TED日本語 - 二人の若き科学者、バクテリアでプラスチックを分解

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二人の若き科学者、バクテリアでプラスチックを分解
Two young scientists break down plastics with bacteria

内容

プラスチックは、ひとたび作られると、(ほぼ)なくなることはありません。高校3年のとき、ミランダ・ワンとジニー・ヤオは新しいバクテリアを探す旅に出ます。プラスチックを生分解する、正確には、有害な可塑剤であるフタル酸エステル類を分解するバクテリアです。二人が見つけた答えは、ビックリするくらい身近なところにありました。

Script

Miranda Wang: We're here to talk about accidents. How do you feel about accidents? When we think about accidents, we usually consider them to be harmful, unfortunate or even dangerous, and they certainly can be. But are they always that bad? The discovery that had led to penicillin, for example, is one of the most fortunate accidents of all time. Without biologist Alexander Fleming's moldy accident, caused by a neglected workstation, we wouldn't be able to fight off so many bacterial infections.

Jeanny Yao: Miranda and I are here today because we'd like to share how our accidents have led to discoveries. In 2011, we visited the Vancouver Waste Transfer Station and saw an enormous pit of plastic waste. We realized that when plastics get to the dump, it's difficult to sort them because they have similar densities, and when they're mixed with organic matter and construction debris, it's truly impossible to pick them out and environmentally eliminate them.

MW: However, plastics are useful because they're durable, flexible, and can be easily molded into so many useful shapes. The downside of this convenience is that there's a high cost to this. Plastics cause serious problems, such as the destruction of ecosystems, the pollution of natural resources, and the reduction of available land space. This picture you see here is the Great Pacific Gyre. When you think about plastic pollution and the marine environment, we think about the Great Pacific Gyre, which is supposed to be a floating island of plastic waste. But that's no longer an accurate depiction of plastic pollution in the marine environment. Right now, the ocean is actually a soup of plastic debris, and there's nowhere you can go in the ocean where you wouldn't be able to find plastic particles.

JY: In a plastic-dependent society, cutting down production is a good goal, but it's not enough. And what about the waste that's already been produced? Plastics take hundreds to thousands of years to biodegrade. So we thought, you know what? Instead of waiting for that garbage to sit there and pile up, let's find a way to break them down with bacteria. Sounds cool, right?

Audience: Yeah. JY: Thank you. But we had a problem. You see, plastics have very complex structures and are difficult to biodegrade. Anyhow, we were curious and hopeful and still wanted to give it a go.

MW: With this idea in mind, Jeanny and I read through some hundreds of scientific articles on the Internet, and we drafted a research proposal in the beginning of our grade 12 year. We aimed to find bacteria from our local Fraser River that can degrade a harmful plasticizer called phthalates. Phthalates are additives used in everyday plastic products to increase their flexibility, durability and transparency. Although they're part of the plastic, they're not covalently bonded to the plastic backbone. As a result, they easily escape into our environment. Not only do phthalates pollute our environment, but they also pollute our bodies. To make the matter worse, phthalates are found in products to which we have a high exposure, such as babies' toys, beverage containers, cosmetics, and even food wraps. Phthalates are horrible because they're so easily taken into our bodies. They can be absorbed by skin contact, ingested, and inhaled.

JY: Every year, at least 470 million pounds of phthalates contaminate our air, water and soil. The Environmental Protection Agency even classified this group as a top-priority pollutant because it's been shown to cause cancer and birth defects by acting as a hormone disruptor. We read that each year, the Vancouver municipal government monitors phthalate concentration levels in rivers to assess their safety. So we figured, if there are places along our Fraser River that are contaminated with phthalates, and if there are bacteria that are able to live in these areas, then perhaps, perhaps these bacteria could have evolved to break down phthalates.

MW: So we presented this good idea to Dr. Lindsay Eltis at the University of British Columbia, and surprisingly, he actually took us into his lab and asked his graduate students Adam and James to help us. Little did we know at that time that a trip to the dump and some research on the Internet and plucking up the courage to act upon inspiration would take us on a life-changing journey of accidents and discoveries.

JY: The first step in our project was to collect soil samples from three different sites along the Fraser River. Out of thousands of bacteria, we wanted to find ones that could break down phthalates, so we enriched our cultures with phthalates as the only carbon source. This implied that, if anything grew in our cultures, then they must be able to live off of phthalates. Everything went well from there, and we became amazing scientists. (Laughter)

MW: Um ... uh, Jeanny. JY: I'm just joking.

MW: Okay. Well, it was partially my fault. You see, I accidentally cracked the flask that had contained our third enrichment culture, and as a result, we had to wipe down the incubator room with bleach and ethanol twice. And this is only one of the examples of the many accidents that happened during our experimentation. But this mistake turned out to be rather serendipitous. We noticed that the unharmed cultures came from places of opposite contamination levels, so this mistake actually led us to think that perhaps we can compare the different degradative potentials of bacteria from sites of opposite contamination levels.

JY: Now that we grew the bacteria, we wanted to isolate strains by streaking onto mediate plates, because we thought that would be less accident-prone, but we were wrong again. We poked holes in our agar while streaking and contaminated some samples and funghi. As a result, we had to streak and restreak several times. Then we monitored phthalate utilization and bacterial growth, and found that they shared an inverse correlation, so as bacterial populations increased, phthalate concentrations decreased. This means that our bacteria were actually living off of phthalates.

MW: So now that we found bacteria that could break down phthalates, we wondered what these bacteria were. So Jeanny and I took three of our most efficient strains and then performed gene amplification sequencing on them and matched our data with an online comprehensive database. We were happy to see that, although our three strains had been previously identified bacteria,two of them were not previously associated with phthalate degradation, so this was actually a novel discovery.

JY: To better understand how this biodegradation works, we wanted to verify the catabolic pathways of our three strains. To do this, we extracted enzymes from our bacteria and reacted with an intermediate of phthalic acid.

MW: We monitored this experiment with spectrophotometry and obtained this beautiful graph. This graph shows that our bacteria really do have a genetic pathway to biodegrade phthalates. Our bacteria can transform phthalates, which is a harmful toxin, into end products such as carbon dioxide, water and alcohol.

I know some of you in the crowd are thinking, well, carbon dioxide is horrible, it's a greenhouse gas. But if our bacteria did not evolve to break down phthalates, they would have used some other kind of carbon source, and aerobic respiration would have led it to have end products such as carbon dioxide anyway.

We were also interested to see that, although we've obtained greater diversity of bacteria biodegraders from the bird habitat site, we obtained the most efficient degraders from the landfill site. So this fully shows that nature evolves through natural selection.

JY: So Miranda and I shared this research at the Sanofi BioGENEius Challenge competition and were recognized with the greatest commercialization potential. Although we're not the first ones to find bacteria that can break down phthalates, we were the first ones to look into our local river and find a possible solution to a local problem. We have not only shown that bacteria can be the solution to plastic pollution, but also that being open to uncertain outcomes and taking risks create opportunities for unexpected discoveries.

Throughout this journey, we have also discovered our passion for science, and are currently continuing research on other fossil fuel chemicals in university. We hope that in the near future, we'll be able to create model organisms that can break down not only phthalates but a wide variety of different contaminants. We can apply this to wastewater treatment plants to clean up our rivers and other natural resources. And perhaps one day we'll be able to tackle the problem of solid plastic waste.

MW: I think our journey has truly transformed our view of microorganisms, and Jeanny and I have shown that even mistakes can lead to discoveries. Einstein once said, "You can't solve problems by using the same kind of thinking you used when you created them." If we're making plastic synthetically, then we think the solution would be to break them down biochemically.

Thank you. JY: Thank you.

(Applause)

今日は アクシデントについてお話しします アクシデントについて どう思いますか? アクシデントと聞いて 思い浮かべるのはたいてい 有害とか 不運とか 危険なことです確かに そういう場合もあります でも 悪いことばかりでしょうか? 例えば ペニシリンにつながる発見は 今までで最高のアクシデントによるものです 生物学者 アレクサンダー・フレミングがずさんな実験をして カビを生やしてしまうアクシデントがなければ これだけ多くの細菌感染症に私たちは対抗できていないでしょう

今日 ミランダと私はここで 私たちのアクシデントがどう発見に結びついたか お話ししたいと思います 2011年 私たちはバンクーバーのゴミ処理場に行き 大量のプラスチック廃棄物を目の当たりにしました そこで気づいたのはゴミの集積所では プラスチックの分別は難しいということですみんな同じような密度で 有機ゴミや建築廃材と混ざろうものなら プラスチックだけ取り出して 環境に優しい形で処理するのは本当に不可能になります

プラスチックは便利です 耐久性や柔軟性があり 様々な形に成型して使うことができます でも この便利さの裏返しとして 高い犠牲を払わないといけません プラスチックは深刻な問題を引き起こします 例えば 生態系の破壊 天然資源の汚染 そして 処理にも場所を取ります この写真は 太平洋ゴミベルトです プラスチックによる汚染や 海洋環境を考えるとき このゴミベルトを思い浮かべます プラスチックのゴミからなる浮島のようなものです でも それはもはや海洋環境における― プラスチック汚染の実態を正しく表わさなくなっています 今 海全体がプラスチック廃棄物のスープの状態で 海のどこを探しても プラスチックの破片がないところなんてありません

プラスチック依存社会において プラスチックの減産は良い目標ですが十分ではありません だって すでに作られたプラスチック廃棄物はそのままでしょう? プラスチックの生分解には何百年 何千年とかかります そこで 私たちは考えました ただ ゴミがたまって積みあがるのを見ているのではなくて 分解する方法を見つけよう バクテリアでです クールでしょ?

(会場から「イエス」)ありがとう でも 問題がありました プラスチックは とても複雑な構造をしていて 生分解は難しいんです でも 好奇心と希望にあふれていた私たちは それでも やってみたいと思いました

このアイデアをもとに ジニーと私は ネット上にある何百という科学論文を読み 研究計画書をまとめました 高校3年の初めのことです 考えたのは 地元のフレーザー川でフタル酸エステル類と言われる― 有害な可塑剤を分解できるバクテリアを見つけることです フタル酸エステル類は一般的なプラスチック製品に 柔軟性 耐性 透明性を向上させる添加剤として使われています それは プラスチックの一部ですが プラスチックの構造自体とは共有結合していないので 簡単に 外の環境に流れ出てしまうのです フタル酸エステル類は環境を汚染するだけでなく 私たちの体まで汚染してしまいます さらに悪いことにフタル酸エステル類は 私たちがよく使う物に使われています例えば 赤ちゃんのおもちゃ 飲料容器 化粧品食品用ラップフィルムにもです フタル酸エステル類が怖いのは 簡単に体に取り込まれてしまうからです 肌と触れたり 口にしたり吸い込むだけで 体に吸収されてしまいます

毎年 21万トン以上のフタル酸エステル類が 私たちの空気 水 土を汚染しています 環境保護庁は フタル酸エステル類を最優先取組み汚染物質としています ガンや出生異常を引き起こすとされるからです ホルモンかく乱物質として作用するのです 毎年 バンクーバー市は 河川でのフタル酸エステル類の汚染レベルを監視し 安全性を評価しています それで思いましたフレーザー川沿いで フタル酸エステル類に汚染されている場所で 生きているバクテリアがあるとすれば たぶん ひょっとしたらそのバクテリアは フタル酸エステル類を 分解できるよう進化しているのではないか

私たちは この素敵なアイデアを ブリティッシュコロンビア大のリンズィー・エルティス博士に提案しました すると驚くことに博士の研究室で受け入れてくれ 院生のアダムとジェームズをサポートにあててくれました 当時は夢にも思っていませんでした ゴミ集積場に行ってインターネットで調査をして 思い切って ヒラメキをもとに行動したら 人生を変えるような― アクシデントと発見の旅が始まるなんて

プロジェクトの最初のステップとして フレーザー川沿いの3つの場所から 土のサンプル採取をしました 何千もいるバクテリアの中からフタル酸エステル類を― 分解できるものを見つけるため フタル酸エステル類が唯一の炭素源となるよう 集積培養を行いました つまり この培養物に何かが増殖すれば それはフタル酸エステル類を食べて生きていることになる 万事うまく行き 私たちは素晴らしい科学者になりましたとさ(笑)

あー ジニー冗談よ

そう あれは私の失敗でもありました フラスコをうっかり割ってしまったんです 3つ目の集積培養物が入っていました それで 培養室を隅々まで拭くはめに 漂白とエタノールで2回も しかも これは私たちの実験で起こった― 数々のアクシデントの一つに過ぎません でも このミスが予期せぬ発見を導きます 無事に残った培養物は 汚染レベルが正反対の所からのものだったので このミスのお蔭で こう思い至ったんです 汚染レベルが全く違う場所から バクテリアを取って 分解能力を比べればいいんじゃないか

バクテリアは育てたので これを培地上に画線培養をして菌株を単離することにしました これなら安全で アクシデントも起こりにくいと思ったからでも また間違っていました 培地に画線を引いているとき寒天に穴をあけて いくつかのサンプルと菌を汚染してしまいました それで 何度も培地に画線を引き直すはめになりました フタル酸エステル類の利用と バクテリアの増殖を観察し 両者には逆相関関係があると気づきました バクテリアが増えれば フタル酸エステル類の濃度は減少する つまり このバクテリアがフタル酸エステル類を食べているのです

フタル酸エステル類を分解するバクテリアを発見して このバクテリアが何か気になりました ジニーと私は 最も効率的な3つの菌株で 遺伝子を増幅して配列を解析し そして そのデータをオンラインの総合データベースで照合 嬉しいことに 3つの菌株は すでに発見されていたものの うち2つは これまでフタル酸エステル類分解とは 関係づけられていなかったので新しい発見をしたことになりました

この生分解がどう作用するのか良く理解するため この3つの菌の異化経路を検証する必要がありました そのために バクテリアから酵素を抽出し フタル酸の中間体と反応させました

光度分析法で この実験を観察し 得られたのが この美しいグラフです このグラフによれば私たちのバクテリアには 遺伝的に フタル酸エステル類を生分解する経路があり 有害な毒であるフタル酸エステル類を 分解して 二酸化炭素や水アルコールなどの― 最終生成物にできます

こう思っている方もいるでしょう 二酸化炭素なんて最悪だ温暖化ガスじゃないかって でも このバクテリアがフタル酸エステル類を生分解しなくても 他の炭素源を使って 好気呼吸をするので どっちみち 二酸化炭素などの最終生成物を生み出します

面白いことには 生分解力を持つバクテリアの種類は 鳥類生息地でより多く見つかりましたが 埋立地のバクテリアの生分解力が最も効率的でした だから 自然淘汰によって 自然は進化するんです

ミランダと私は この研究を サノフィ・バイオジニアス・チャレンジ・カナダに出し 商業化可能性が最も高いと評価されました フタル酸エステル類を分解するバクテリアを初めて発見したわけではありません でも 地元の川に行って地元の問題を解決する方法を 探したのは 私たちが初めてです 私たちが示したのは バクテリアが プラスチック汚染の解決策になりうることだけでなく 不確実なことを受け入れリスクを取ることによって 予期せぬ発見の機会を生み出せるということです

この旅を通して 私たちは科学への熱い思いを確認し 今も 大学で 他の化石燃料の化学物質について研究を続けています 近い将来 モデル生物を作りたいと思っています フタル酸エステル類だけでなく たくさんの汚染物質を分解できる生物です これを汚水処理場で利用して 私たちの川をきれいにしたり 他の天然資源をきれいにしたり したいです きっと いつか 私たちは プラスチック廃棄物そのものの問題を解決できるでしょう

この旅によって私たちの微生物への見方は 本当に変わりました ジニーと私が示したのは ミスでさえ 発見を生み出しうること アインシュタインによれば 「問題を生み出した時と同じやり方で 考えている限り 問題は解けない」のです 合成によってプラスチックを作っているとしたら 解決策は 生化学的にそれを分解することでしょう

ありがとうございました

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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