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(PMPE)」という技術を開発し、ムコン酸収率の向上に成功。芳香族化合物やジカルボン酸などの様々な化成品原料や医薬品原料の生産にも利用が可能。実際のバイオマスなど複数の糖類が入っている原料も効率よく利用できると期待される。研究の背景私たちの社会では石油を原料として様々な製品が作られています。しかし、石油由来製品は大気中のCO2の量を増やし、地球温暖化などの様々な環境問題を引き起こしています。そこで、自然界に大量に存在する安価な草や木などの再生可能資源 (バイオマス資源) を原料として、微生物を用いたモノづくりを行うバイオリファイナリー技術※1の開発が求められています。バイオマス由来の製品は大気中のCO2を増加させないカーボンニュートラル※2という特長をもっており、このバイオマスから様々な有用物質を生産する技術を開発することで、大気中のCO2を減らした低炭素社会の構築が期待できます。ムコン酸はナイロンの原料となるアジピン酸に容易に変換できる有用化合物であり、他にも様々な医薬品や化成品原料として利用できます。しかし、その生産は化石資源を原料に用いた化学合成に依存しているのが現状です。そこで、より穏和な反応条件で副生成物も少ない微生物による再生可能な植物資源からの発酵生産方法が望まれてきました。微生物を用いたモノづくりでは、原料のバイオマスを微生物が自身の増殖に利用してしまうことが問題となっています。微生物がバイオマスを取り込んでも、目的のモノが作られずに微生物自身が増えてしまうだけ、ということがよくあります。しかし微生物が増えないように代謝を改変してしまうと、微生物は元気がなくなりモノを作らなくなります。この増殖とモノづくりの間のジレンマがこれまでの大きな問題でした。本研究では、糖を使い分けることで微生物の増殖とモノづくりをそれぞれ独立してコントロールする技術 (PMPE: Parallel Metabolic Pathway Engineering) を新たに開発し、このジレンマの解決に取り組みました。研究の内容食料生産と競合しないリグノセルロース系バイオマスは、主にグルコースとキシロースからできています (図1)。このグルコースをモノづくりに、キシロースは微生物の増殖に使えるような代謝デザインを施した大腸菌を構築しました。図１　食料生産と競合しないリグノセルロース系バイオマスの構成成分通常の微生物では、図2に示すように、取り込まれたグルコースとキシロースは同じ1つの代謝系で代謝され、目的物質を生産するとともに微生物が生きるために使われます。微生物はこの取り込んだ糖類を自分が生きるためのエネルギー生産や構成要素の合成、維持に使ってしまうため、目的生産物の生産量は低下します。そこで本研究では、PMPEという新しい技術を開発しました。図3に示す通り、微生物の代謝を分けてそれぞれ独立させることにより、グルコースは全て目的物質の生産に、キシロースは微生物の生育、維持のために使われます。グルコースは生育、維持のためには一切使われないため、収率を大きく向上させることができます。図2　通常の大腸菌を用いたモノづくり図3　PMPE大腸菌を用いたモノづくり本研究では、改変した大腸菌にムコン酸生産経路を導入し、グルコースとキシロースからムコン酸生産を行いました。最終的にムコン酸を4.26 g/L生産することに成功し、その収率 (理論上の最大収量に対する実収量) は0.31 g/g-glucoseとなりました (図4)。この収率は世界最高値であり、本技術が有効であることを示しています。図4　PMPE技術によるムコン酸の生産性向上さらに、PMPE技術をムコン酸以外の目的生産物への応用を検討しました。その結果、芳香族化合物であり必須アミノ酸でもあるフェニルアラニンや、食品や医薬品の添加剤として用いられる1,2-プロパンジオールの生産性を向上することに成功しました。これらの結果は、PMPE技術が様々な物質の生産性・収率の向上に有効である、汎用性の高い技術であることを示しています。用語解説※1　バイオフリファイナリー技術再生可能な資源であるバイオマスを原料として、バイオ燃料やバイオプラスチック、医薬品原料などを生産する技術。※2　カーボンニュートラル化石燃料の代わりにバイオマスを使うことで二酸化炭素の排出と吸収がプラスマイナスゼロとなり、大気中のCO2の量は変化しないという概念。今後の展開本研究で開発されたPMPE技術を用いることで、ムコン酸以外にも芳香族化合物やジカルボン酸などの様々な医薬品、化成品原料の生産性・収率の向上が期待されます。また、糖を使い分けさせることで微生物の代謝を制御するという本研究の成果は、様々な糖類が混在する実バイオマスの有効利用にも大きく貢献できると考えられます。謝辞本研究は以下の研究助成を受けて行われました。未来社会創造事業　探索加速型 「地球規模課題である低炭素社会の実現」領域「ゲームチェンジングテクノロジー」による低炭素社会の実現研究課題名：細胞表層工学と代謝工学を用いたPEP蓄積シャーシ株の創製(No. JPMJMI17EI)科学研究費基盤研究 (B) (No. 19H02526)理研基礎科学特別研究員制度日本学術振興会特別研究員奨励費論文情報タイトル“Metabolic engineering of Escherichia coli for shikimate pathway derivative production from glucose–xylose co-substrate”DOI10.1038/s41467-019-14024-1著者Ryosuke Fujiwara, Shuhei Noda, Tsutomu Tanaka, Akihiko Kondo掲載誌Nature Communications神戸大学学術成果リポジトリKernelで閲覧する研究者田中 勉准教授工学研究科近藤 昭彦科学技術イノベーション研究科SDGs工学研究科科学技術イノベーション研究科SHARE同じ研究者の記事Press releases2023.12.26工学系科学警告物質が窒素利用を制御する作用点を解明Press releases2023.12.26工学系科学石油依存からの脱却！ バイオフェノールの生産性を向上させる新技術を開発Press releases2023.04.18医歯薬学神戸大学と日本トリム　共同研究講座を新設Press releases2023.01.10生物系科学光合成が始まる瞬間の代謝機構を解明同様のタグのある記事Press releases2022.03.09工学系科学常識を覆す糖の再排出メカニズムの発見Press releases2024.04.10工学系科学“強靭性”と“生分解性”を両立した次世代型ポリ乳酸の大量生産に成功Press releases2024.03.26工学系科学微生物が作り出すプラスチックでポリ乳酸の生分解性と伸びを改善Press releases2023.07.21工学系科学プロモーター置換法は、進化型ポリ乳酸の生産性向上に有効であることを実証ページの先頭へ〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1受験生在学生・保護者卒業生企業・地域の方教職員お問い合わせアクセス採用情報公式SNS一覧キャンパスカレンダープライバシーポリシーサイトポリシーサイトマップ© Kobe University