植物成分のリグニンだけでポリマー原料を効率的に生産する微生物の開発に成功

ポイント

• 非可食バイオマス成分の２０～３０％を占めるリグニンだけを用いて、従来石油から生産していたナイロンやペットボトルなどのポリマーの原料となる基幹化合物のｃｉｓ，ｃｉｓ－ムコン酸^注１）（以下ムコン酸、図１）を、遺伝子組換えにより特殊な代謝経路へと改良した微生物を用いて生産します。
• 本微生物の増殖に必要な炭素源はリグニンであるため、微生物による生産コストの低減が期待できます。
• 針葉樹・広葉樹・草本によって、Ｇ－リグニン、Ｓ－リグニン、Ｈ－リグニンの割合は異なりますが、いずれのバイオマス由来のリグニンでも利用可能な２種類の微生物株を開発しました。
• 開発した微生物株を用いて、スギ（針葉樹）とシラカバ（広葉樹）のリグニンからムコン酸を生産しました。

＜研究の背景と経緯＞

近年、低炭素社会の実現に向けて、バイオマスの有効活用が期待されています。農林水産省から発表されているバイオマス活用推進基本計画（平成２８年９月版）には、その意義として「バイオマスをエネルギーや製品として活用していくことは、農山漁村の活性化や地球温暖化の防止、循環型社会の形成といった我が国の抱える課題の解決に寄与するものであり、その活用の推進を加速化することが強く求められている。」と示されており、バイオマス活用技術の社会実装や産業化が求められています。

一方、これまでのバイオマス利用の取り組みで大きな課題となっていたのが、高コスト化により事業として採算が取れない点です。現在、バイオマス利用における主要な原料は糖質ですが、食料としても利用できることや、新材料として期待されるセルロースナノファイバー^注３）などへの利用拡大などを考えると、将来的には糖質の需要競合および原料の高騰が予想されます。

本研究グループではそのような背景を鑑み、糖質をまったく使わず、木本や草本などの非可食バイオマスに含まれるリグニン成分のみを利用してポリマー原料を生産する技術の開発を目指しました。

＜研究の内容＞

（１）組換えＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ（シュードモナス）属微生物株を用いたムコン酸生産

Ｇ－リグニン^注４）、Ｈ－リグニン^注５）由来の多様な芳香族化合物を唯一の炭素源として増殖できるＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｐｕｔｉｄａ ＫＴ２４４０株を宿主として、代謝関連酵素をコードしている複数の遺伝子について遺伝子組換えを行いました。この組換えＰｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ属微生物株は、Ｇ－リグニン及びＨ－リグニン由来の芳香族化合物をムコン酸生産へと導くだけでなく、微生物株自身が増殖するための代謝経路も保持できることがわかりました（図２）。スギやマツ、ヒノキなどの針葉樹には主にＧ－リグニンが含まれていることが知られています。これまでの研究で、リグニン由来の芳香族化合物モデルであるバニリン酸（Ｇ－リグニン由来）と４－ヒドロキシ安息香酸（Ｈ－リグニン由来）の混合物を利用して、この組換え微生物株が増殖し、収率約１８ｗｔ％でムコン酸を生産することを確かめています。また、スギ木粉から調製したリグニン分解物を利用して増殖し、ムコン酸を生産することも確認しています。

（２）組換えＳｐｈｉｎｇｏｂｉｕｍ（スフィンゴビウム）属微生物株を用いたムコン酸生産

Ｇ－リグニン、Ｈ－リグニンに加えて、Ｓ－リグニン^注６）由来の多様な芳香族化合物を唯一の炭素源として増殖するＳｐｈｉｎｇｏｂｉｕｍ ｓｐ．ＳＹＫ－６株を宿主として、代謝に関連する酵素をコードしている複数の遺伝子について遺伝子組換えを行いました。この組換えＳｐｈｉｎｇｏｂｉｕｍ属微生物株は、Ｓ－リグニン由来の芳香族化合物を自らの増殖のための炭素源・エネルギー源として利用できる代謝経路と、Ｇ－リグニンとＨ－リグニン由来の芳香族化合物をムコン酸へと導く経路を保持していることに大きな特徴があります（図３）。ユーカリやシラカバなどの広葉樹、稲わらやバガスなどの草本は、Ｇ－リグニンやＨ－リグニンに加えて、Ｓ－リグニンを多く含むことが知られています。これまでの研究で、リグニン由来の芳香族化合物モデルであるシリンガ酸（Ｓ－リグニン由来）とバニリン酸（Ｇ－リグニン由来）の混合物やシリンガ酸と４－ヒドロキシ安息香酸（Ｈ－リグニン由来）の混合物を利用してこの組換え微生物株が増殖し、収率約３５ｗｔ％でムコン酸を生産することを確かめています。また、シラカバ木粉から調製したリグニン分解物を利用して増殖し、ムコン酸を生産することも確認しています。

＜今後の展開＞

本研究では、リグニンのみを原料として、ナイロンやペットボトルなどに使われるポリマー合成の基幹化合物^注７）であるムコン酸を、微生物を用いて生産し、かつ微生物の増殖も可能とする技術を確立し、平成２９年４月２５日に特許出願を行いました。今後は、ムコン酸生産の収量および収率を高めていくために、前処理方法の検討や、微生物株のさらなる改良を行う予定です。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） ｃｉｓ，ｃｉｓ－ムコン酸

カテコール、安息香酸、トルエンを好気的に分解する能力を持つ微生物の代謝中間体の１つ。カテコール（１，２－ジヒドロキシベンゼン）の芳香環開裂（イントラジオール開裂）により生成されるジカルボン酸。ポリアミド、ポリエステル、ポリウレタンなど多様なポリマーの原料を合成可能な基幹化合物（図１）。

注２） リグニン

植物細胞壁の主成分であり、自然界に最も多く存在する高分子芳香族化合物。フェニルプロパン単位を基本骨格とし、その芳香核構造の違いにより、グアイアシルリグニン（Ｇ－リグニン）、シリンギルリグニン（Ｓ－リグニン）、ｐ－ヒドロキシフェニルリグニン（Ｈ－リグニン）の３種に大別される。

注３） セルロースナノファイバー

植物細胞壁から得られる植物繊維をナノメートル単位（ミリメートルの１００万分の１）まで微細化した素材。

注４） Ｇ－リグニン

グアイアシルプロパン構造を基本骨格とするリグニン。針葉樹由来のリグニン（針葉樹リグニン）は一般的に、Ｇ－リグニンに富む。

注５） Ｈ－リグニン

ｐ－ヒドロキシフェニルプロパン構造を基本骨格とするリグニン。イネ科植物など草本由来のリグニン（草本リグニン）は一般的に、Ｇ－リグニンとＳ－リグニンに加え、Ｈ－リグニンから成る。

注６） Ｓ－リグニン

シリンギルプロパン構造を基本骨格とするリグニン。広葉樹由来のリグニン（広葉樹リグニン）は一般的に、Ｇ－リグニンとＳ－リグニンに富む。

注７） 基幹化合物

多数の化合物の合成原料となる出発物質。ビルディングブロックといわれることもある。石油由来の基幹化合物として、エチレン、プロピレン、ＢＴＸ（ベンゼン・トルエン・キシレン）がある。

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