原油は生体物質の変形である
天然ゴム、パラゴムノキの分泌物

生体物質とは、生命体によって生成される、または生命体から生成される物質です。この用語はもともと他の生物に毒性のある代謝化合物を指していましたが、[1]現在では、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。生体物質は通常、クロマトグラフィーや質量分析法を用いて単離・測定されます。[3] [4]さらに、生体物質の変換と交換は、環境、特に水路における輸送においてモデル化することができます。[5]

生物起源物質の観察と測定は、地質学および生化学の分野において特に重要です。地質堆積物中のイソプレノイドと脂肪酸の大部分は植物やクロロフィルに由来し、先カンブリア代にまで遡るサンプル中に存在しています。[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]そのため、地質学者は様々な岩石の年代、起源、分解過程を検証するためのバイオマーカーとして有用です。 [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産、輸送、変換、[5]および産業用途での生物起源物質の利用方法の調査が行われてきました。[6]海洋環境中の生物起源化合物の大部分は、シアノバクテリアを含む微細藻類と大型藻類によって生産されています。[6]それらの抗菌特性のため、現在、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

生物起源堆積物：化石を含む石灰岩

1903年、ニューヨーク科学アカデミー地質学・鉱物学部門の会議において、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、新しい岩石分類体系を提案しました。[7]化学反応によって形成された岩石である「内生岩石」の主要な区分には、「生物起源岩石」というカテゴリーがあり、「有機岩石」と同義語として用いられました。その他の二次カテゴリーには、「火成岩」と「水成岩」がありました。[7]

1930年代、ドイツの化学者アルフレッド・E・トライプスは、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]この研究に基づき、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の研究において、地質学者と有機化学者の間の協力関係が強化されました。[4]

1960年代初頭には、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研究が始まりました。[6] 1975年までに、海洋生化学の研究分野は「海洋毒素、海洋バイオプロダクト、海洋化学生態学」といった異なる分野に発展しました。[6]これに続き、1994年、テューシャーとリンデクイストは著書『バイオジーン・ギフテ』の中で、生体物質を「生体によって合成され、一定濃度を超えると化学的または物理化学的作用によって他の生物に一時的または永続的な損傷、あるいは死をもたらす化合物」と定義しました。[1] [8]生体物質の毒性に関する研究と分類において、生体物質の毒性に重点が置かれたのは、生物学的に活性な化合物を検出するために用いられた細胞毒性スクリーニングアッセイが一因です。 [6]その後、代替的な医薬品および工業アッセイの利用を通じて、生体物質の多様性は細胞毒性物質から拡大しました。[6]

環境の中で

水生態学

海洋化合物の移動モデル

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、外部からの投入、水塊内部の輸送、あるいは水中の代謝過程による変化によって海洋環境に流入する可能性があることを指摘した。 [5]同様に、生物起源物質は、生体変換過程、あるいは微生物によるバイオマス形成によっても消費される。この研究では、生物起源物質の濃度、変換頻度、そして回転率は、いずれも水の上層で最も高かった。さらに、海峡の各地域において、年間移動量が最も高かった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O2、DOC、およびDISiであった。[5] 海峡の外部境界からの投入量が少なく、したがって移動量も最も少ない傾向にある生物起源物質は、窒素およびリンの鉱物および堆積物成分であった。これらの物質は、海洋環境における生物変換過程において活発に関与しており、年間排出量も低い。[5]

地質学的サイト

オンコライト石灰岩：球状のオンコライトはシアノバクテリアによる炭酸カルシウムの沈着によって形成される[9] [10]

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の中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）に溶けませんが、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単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、高分子も地質学的に保護された地域で見つかっています。[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、および高温高圧が含まれ、これが生物起源物質の変化をもたらします。[4]例えば、クロロフィルやヘミンの脱水素反応によって生じる色素は、ニッケル錯体や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を示唆している。[4]しかし、これらの有機化合物は自然界、特に先カンブリア時代の堆積物中に非生物起源である可能性がある。Studierら（1968）による非生物起源条件下でのイソプレノイド合成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なかったが、C 9 -C 14イソプレノイドの痕跡が検出された。[11]また、Al(C 2 H 5 ) 3 – VCl 3などの触媒を用い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だ。[12]しかし、これらの化合物が自然環境に存在する可能性は低い。[4]

測定

クロロフィルのクロマトグラフィー分離

植物の生体物質を構成する様々な生体分子、特に種子分泌物に含まれる分子は、実験室環境で様々なクロマトグラフィーを用いることで同定できます。 [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用い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、逆相高速液体クロマトグラフィー質量分析法を用いて化合物をさらに分類することができます。[3]

水域などの自然環境における生物起源物質の測定には、水生態学的[13] CNPSiモデルを用いて、水平方向と垂直方向の両方向における生物起源物質の空間輸送を計算することができる。[5]このモデルは、水交換と流量を考慮し、任意の月の水域または層における生物起源物質濃度の値を算出する。評価には主に2つの方法がある。単位水量あたりの測定（mg/m 3年）と、層全体の水量あたりの物質測定（t 要素/年）である。[5]前者は主に、生物起源物質の動態やフラックスと変換の個々の経路を観察するために用いられ、海峡や水路の個々の地域を比較する際に有用である。後者の方法は月ごとの物質フラックスに用いられ、層内の水量には月ごとの変動があることを考慮する必要がある。[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り、粉砕した後、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によって、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、遠心分離して残留物を生成します。その後、様々なクロマトグラフィーおよび質量分析法による分離を経て、化合物が抽出されます。[4]ただし、抽出には、指紋由来のアミノ酸汚染物質[14]や他の分析処理方法由来のシリコン汚染物質が混入しないよう、厳重な注意が必要です。[4]

アプリケーション

ミクロコッカス・ルテウスの増殖を阻害するシアノバクテリア抽出物

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%以上に、抗真菌性および抗菌性があります。[1] [6]さらに、 Ren らによる研究（2002）は、紅藻類の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、環境を汚染する化学物質を使わない防汚塗料の製造など、人工材料への利用が期待されます。[1]水や環境に有毒化合物を放出し、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とされています。 [1]汚損の原因となる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、緑藻類Caulerpa proliferaが生産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、このエステルが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]

微細藻類代謝産物の生産に使用される光バイオリアクター

現在、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研究も行われています。[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、光バイオリアクターを用いて藻類とその生体物質を大規模に生産することが可能になります。[1]異なるシステムタイプを用いることで、異なる生体物質を生産することが可能になります。[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、古今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検証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や堆積物が海洋起源であることを示しており、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また、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を比較することで、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

銀ナノ粒子の走査型電子顕微鏡画像

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の使用は、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、煮沸した葉のブロス、[24]バイオマス粉末、[25]溶液への全植物浸漬、[23]または果物と野菜ジュースの抽出物など、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、異なる生体物質、すなわち発芽種子の滲出液を利用するものである。種子を水に浸すと、周囲の水中に植物化学物質が受動的に放出され、平衡状態に達した後、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金属粒子の効率的な生成に成功しており、 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、滲出液の希釈度、植物の起源などの要因を操作することでさらに調整でき、三角形、球形、棒状、螺旋状など、様々な形状のナノ粒子を生成することができる。[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に応用されている。[3]

例

植物由来のトリテルペノイドであるルペオールの化学構造[28]

単離された生体化合物の表

非生物起源（反対）

非生物起源物質またはプロセスは、生物の現在または過去の活動に起因するものではありません。非生物起源生成物には、例えば鉱物、その他の無機化合物、単純な有機化合物（例：地球外メタン、非生物起源も参照）などがあります。

参照

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