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生体物質は、生命体によって作られた、または生命体から作られた産物です。この用語はもともと他の生物に毒性のある代謝化合物に特有のものでしたが、[1]植物や動物のあらゆる成分、分泌物、代謝物を包含するようになりました。[2]分子生物学の文脈では、生体物質は生体分子と呼ばれます。これらは通常、クロマトグラフィーと質量分析技術を使用して分離および測定されます。[3] [4]さらに、生体物質の変換と交換は、環境、特に水路での輸送においてモデル化できます。[5]
生物起源物質の観察と測定は、地質学と生化学の分野で特に重要です。地質学的堆積物中のイソプレノイドと脂肪酸の大部分は植物とクロロフィルに由来し、先カンブリア代まで遡るサンプルで見つけることができます。[4]これらの生物起源物質は、堆積物中の続成作用に耐えることができますが、他の物質に変化する可能性もあります。[4]このため、地質学者がさまざまな岩石の年代、起源、分解プロセスを確認するためのバイオマーカーとして役立ちます。 [4]
生物起源物質は1960年代から海洋生化学の一環として研究されており、[6]水中での生物起源物質の生成、輸送、変換、[5]および産業用途での利用方法の調査が行われています。[6]海洋環境中の生物起源化合物の大部分は、シアノバクテリアなどの微細藻類と大型藻類によって生成されます。[6]抗菌特性があるため、現在は防汚塗料などの産業プロジェクトや医療分野で研究されています。 [6]
発見と分類の歴史
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1903年にニューヨーク科学アカデミーの地質学および鉱物学部門の会議で、地質学者アマデウス・ウィリアム・グラバウは論文「岩石の新しい分類に関する議論と提案」の中で新しい岩石分類システムを提案した。[7]化学プロセスによって形成された岩石である「内生岩石」の主な区分には、「生物起源岩石」と呼ばれるカテゴリがあり、「有機岩石」と同義で使用されていた。その他の二次カテゴリは「火成岩」と「水成岩」であった。[7]
1930年代、ドイツの化学者アルフレッド・E・トレイプスは、ポルフィリンの研究の一環として、石油中に初めて生体物質を検出しました。[4]この研究に基づいて、1970年代には地質学の研究の一環として、堆積岩中の生体物質の調査が増加しました。[4]これは、より高度な分析方法の開発によって促進され、堆積物中の生体化合物を研究するために地質学者と有機化学者の間でより緊密な協力関係が生まれました。[4]
研究者たちは、1960年代初頭に海洋環境における微生物による化合物の生成についても調査し始めました。[6] 1975年までに、海洋生化学の研究においてさまざまな研究分野が発展しました。これらは「海洋毒素、海洋バイオプロダクト、海洋化学生態学」でした。[6]これに続いて、1994年にテューシャーとリンデクイストは、著書『バイオジェン・ギフテ』の中で、生物起源物質を「生物によって合成され、一定の濃度を超えると、化学的または物理化学的効果によって他の生物に一時的または永久的な損傷、さらには死を引き起こす化合物」と定義しました。[1] [8]生物起源物質の毒性に関する研究と分類がこのように重視されたのは、部分的には、生物学的に活性な化合物を検出するために使用された細胞毒性を標的としたスクリーニングアッセイによるものでした。 [6]それ以来、代替の製薬および産業アッセイの使用により、生物起源物質の多様性は細胞毒性物質から拡大してきました。[6]
環境において
水生態学
ロシアの研究チームは、日本海のタタール海峡における生物起源物質の輸送を研究した結果、生物起源物質は、外部からの流入、水塊内部の輸送、または水中の代謝プロセスによる発達により海洋環境に流入する可能性があることに気付いた。 [5]同様に、生物起源物質は、生体変換プロセス、または微生物によるバイオマス形成によって消費されることもある。この研究では、生物起源物質の濃度、変換頻度、およびターンオーバーはすべて、水の上層で最も高かった。さらに、海峡のさまざまな地域で、年間の移動量が最も高い生物起源物質は一定であった。これらは、通常、自然水中に高濃度で存在する O 2、DOC、および DISi であった。[5]海峡の外部境界を介した流入量が少なく、したがって移動量が最も少ない生物起源物質は、N および P の鉱物および堆積物成分であった。これらの同じ物質は、海洋環境における生体変換プロセスに積極的に関与しており、年間出力も低い。[5]
地質学的サイト
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有機地球化学者は、石油中の生物起源物質の続成作用と、それらが堆積物や化石でどのように変化するかを研究することにも関心を持っています。[4]この有機物質の90％は一般的な有機溶媒（ケロジェンと呼ばれる）に不溶性ですが、10％は溶解性があり抽出可能な形をしており、そこから生物起源化合物を分離することができます。[4]飽和直鎖脂肪酸と色素は最も安定した化学構造を持っているため、続成作用による分解に耐え、元の形で検出されるのに適しています。[4]しかし、高分子は保護された地質地域で発見されています。[4]典型的な堆積条件には、酵素、微生物、物理化学的プロセス、および温度と圧力の上昇が含まれ、これが生物起源物質の変化につながります。[4]たとえば、クロロフィルやヘミンの脱水素から生じる色素は、ニッケルまたはバナジル錯体として多くの堆積物に見られます。[4]堆積物中のイソプレノイドの大部分もクロロフィルに由来しています。同様に、ドイツのメッセル鉱山のメッセルオイルシェールで発見された直鎖飽和脂肪酸は、維管束植物の有機物に由来しています。[4]
さらに、アルカンとイソプレノイドは先カンブリア時代の岩石の可溶性抽出物中に見つかっており、30億年以上前に生物学的物質が存在していた可能性が高いことを示しています。[4]しかし、これらの有機化合物は、特に先カンブリア時代の堆積物では、自然界に非生物起源である可能性があります。 Studier ら (1968) による非生物起源条件でのイソプレノイド合成のシミュレーションでは、化石や堆積物中のバイオマーカーとして使用される長鎖イソプレノイドは生成されませんでしたが、C 9 -C 14イソプレノイドの痕跡が検出されました。[11]また、Al(C 2 H 5 ) 3 – VCl 3などの触媒を使用して、ポリイソプレノイド鎖を立体選択的に合成することも可能です。[12]しかし、これらの化合物が自然環境で利用可能である可能性は低いです。[4]
測定
植物の生体物質を構成するさまざまな生体分子、特に種子分泌物に含まれるものは、実験室環境でさまざまな種類のクロマトグラフィーを使用することで識別できます。 [3]代謝物プロファイリングでは、ガスクロマトグラフィー質量分析法を使用してケルセチンなどのフラボノイドを検出します。[3 ] その後、逆相高性能液体クロマトグラフィー質量分析法を使用して化合物をさらに区別できます。[3]
水域などの自然環境における生物起源物質の測定に関しては、水生態学的[13] CNPSi モデルを使用して、水平方向と垂直方向の両方で生物起源物質の空間輸送を計算できます。[5]このモデルは、水の交換と流量を考慮し、任意の月の任意の領域または水層の生物起源物質率の値を生成します。評価には、単位水量あたりの測定 (mg/m 3年) と層の全水量あたりの物質の測定 (t 要素/年) の 2 つの主な方法があります。[5]前者は主に、生物起源物質の動態とフラックスと変換の個々の経路を観察するために使用され、海峡または水路の個々の領域を比較する場合に役立ちます。 2 番目の方法は、月ごとの物質フラックスに使用され、層の水量に月ごとの変動があることを考慮する必要があります。[5]
地球化学の研究では、対象となる岩石サンプルを削り取って粉砕し、40%フッ化水素酸、水、ベンゼン/メタノール（3:1）で洗浄するプロセスを通じて、化石や堆積物から生体物質を分離することができます。 [4]その後、岩石片を粉砕して遠心分離し、残渣を作ります。その後、さまざまなクロマトグラフィーと質量分析分離によって化合物を抽出します。[4]ただし、抽出には、指紋からのアミノ酸汚染物質や、[14]他の分析処理方法からのシリコン汚染物質がないことを確認するための厳格な予防措置を講じる必要があります。[4]
アプリケーション
防汚塗料
海藻によって生成される代謝産物には、多くの抗菌作用があることがわかっています。 [1]これは、海洋生物が化学的な抑止剤として生成し、生理活性化合物を含んでいるためです。これらのタイプの二次代謝産物を生成する海藻の主なクラスは、シアノ藻類、緑藻類、および紅藻類です。[1]観察されている生体産物には、ポリケチド、アミド、アルカロイド、脂肪酸、インドール、およびリポペプチドがあります。[1]たとえば、最も豊富なシアノバクテリアの1つであるLyngbya majusculaから分離された化合物の10％以上が、抗真菌性および抗菌性を持っています。[1] [6]さらに、Renらによる研究（2002）は、紅藻綱のDelisea pulchraが産生するハロゲン化フラノンを、枯草菌の増殖に対して試験した。[15] [1] 40μg/mLの濃度で適用すると、フラノンは細菌によるバイオフィルムの形成を阻害し、バイオフィルムの厚さを25％、生細胞数を63％減少させた。[15]
これらの特性は、環境に有害な化学物質を使わない防汚塗料の製造など、人工材料に利用できる可能性があります。[1]水や環境に有毒な化合物を放出し、いくつかの国で禁止されているTBT（スズ系防汚剤）に代わる環境に安全な代替品が必要です。 [1]汚染を引き起こす細菌や微細藻類に対して大きな効果を発揮する生体化合物の1つに、Caulerpa prolifera （緑藻綱）が生成するアセチレンセスキテルペノイドエステルがあります。Smyrniotopoulosら（2003）は、これがTBT酸化物の最大83％の有効性で細菌の増殖を阻害することを観察しました。[16]
現在の研究では、代謝工学技術を用いてこれらの生体物質を商業レベルで生産することも目指しています。[1]これらの技術を生化学工学設計と組み合わせることで、藻類とその生体物質を光バイオリアクターを使用して大規模に生産することができます。[1]異なるシステムタイプを使用して、異なる生体製品を生産することができます。[1]
古化学分類学
古化学分類学の分野では、地質堆積物中の生物起源物質の存在は、古い生物サンプルや種と現代の生物サンプルや種を比較するのに有用である。[4]これらの生物学的マーカーは、化石の生物学的起源を確認するために使用でき、古生態学的マーカーとして機能する。例えば、プリスタンの存在は、石油または堆積物が海洋起源であることを示し、一方、非海洋起源の生物起源物質は、多環式化合物またはフィタンの形をとる傾向がある。[21]生物学的マーカーは、地質環境における生物物質の分解反応に関する貴重な情報も提供する。 [4]地質学的に古い岩石と最近の岩石の有機物質を比較すると、異なる生化学的プロセスが保存されていることがわかる。[ 4]
金属ナノ粒子の製造
生体物質のもう一つの用途は、金属ナノ粒子の合成である。[3]現在使用されているナノ粒子の化学的および物理的製造方法はコストがかかり、環境に有毒廃棄物や汚染物質を生成する。[22]さらに、生成されたナノ粒子は不安定で、体内での使用に適さない可能性がある。[23]植物由来の生体物質を使用することで、環境に優しく費用対効果の高い製造方法を生み出すことを目指している。[3]これらの還元反応に使用される生体植物化学物質は、煮沸した葉のスープ、[24]バイオマス粉末、[25]溶液への植物全体の浸漬、[23]または果物と野菜のジュース抽出物など、さまざまな方法で植物から抽出することができる。[26] C. annuumジュースは、銀イオンで処理すると室温でAgナノ粒子を生成することが示されており、摂取すると必須ビタミンとアミノ酸も供給されるため、潜在的なナノマテリアル剤となっている。[3]もう一つの方法は、別の生体物質、すなわち発芽種子の滲出液を使用するものである。種子を水に浸すと、周囲の水に植物化学物質が受動的に放出され、平衡に達した後、金属イオンと混合して金属ナノ粒子を合成することができる。[27] [3] 特にM. sativaの滲出液はAg金属粒子を効果的に生成することに成功しており、 L. culinarisはAuナノ粒子の製造に効果的な反応物である。[3]このプロセスは、pH、温度、滲出液の希釈、植物の起源などの要因を操作することでさらに調整され、三角形、球形、棒状、らせん状など、さまざまな形状のナノ粒子を生成することもできる。[3]これらの生体金属ナノ粒子は、触媒、断熱ガラス窓コーティング、バイオメディカル、バイオセンサーデバイスなどの用途がある。[3]
例
- 石炭と石油は、地質学的期間にわたって変化した可能性のある成分の例です。
- 白亜や石灰岩は地質時代の分泌物（海洋動物の殻）の例です。
- 草や木は現代起源の生物起源の構成要素です。
- 真珠、絹、龍涎香は現代起源の分泌物の例です。
- 生体神経伝達物質。
分離された生体化合物の表
無生物起源（反対）
非生物起源の物質またはプロセスは、生物の現在または過去の活動から生じたものではありません。非生物起源の生成物には、鉱物、その他の無機化合物、単純な有機化合物（地球外メタンなど、非生物起源も参照）などがあります。
参照
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