Ultra oil cell: Creating a cell factory that mass-produces carotenoids and long chain unsaturated fatty acids

• Project/Area Number: 18K19166
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kawano Shigeyuki 東京大学, フューチャーセンター推進機構, 特任研究員 (70161338)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2018: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 機能性 / 脂肪酸 / クロレラ / 物質生産 / 細胞機能 / カロテノイド / トレボウクシア / 微生物遺伝育種 / 機能性食品 / 生物活性物質

Outline of Final Research Achievements

Using “ultra oil cell” induced by nutrient starvation and intense light stress, we decided to create a cell factory (Chlorella factory) that accumulated functional substances such as ω3 fatty acids and carotenoids. We focused on selecting strains suitable for the cell factory with an awareness of practical application. The phylogenetic relationship of species and strains about the productivity of fats and carotenoids in addition to biomass were clarified by collecting a wide range of green algae, mainly Trebouxiophyceae and conducting molecular phylogenetic analysis. Most of the species and strains investigated can be easily cultured not only with autotrophs but also with heterotrophs and mixed nutrients, and have high biomass productivity. The productivity of fats under heterotrophic nutrition varies greatly depending on the strain, but some strains had an oil content of more than 50%.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

2021年4月の「2030年度の温室効果ガス削減目標を2013年度比で46％削減する」との政府発表は、パリ協定にもられた26％でも実現を危ぶまれていたので、各界に衝撃をもって受け止められている。地球温暖化は待ったなしであるが、世代時間の短い微細藻類であれば、10年間の研究期間でも二酸化炭素削減に資する新たな品種を開発できる可能性がある。微細藻類を「育種する」という発想こそが、応用微生物学の新たなトレンドになると考え、多くの株とその培養方法を検討するとともに重イオンビーム照射による分子育種法を開発してきた。カロテノイドと長鎖不飽和脂肪酸を大量生産する「超オイル細胞」の作出はその延長線上にある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Czech Academy of Sciences(チェコ)
• [Int'l Joint Research] Czech Academy of Sciences(チェコ)
• [Journal Article] Worldwide research trends on microalgae and recent work in Cytologia. (2020)
  • Author(s): Hosokawa, S and Kawano, S.
  • Journal Title: Cytologia Volume: 85 Pages: 178-185
  • NAID: 130007907373
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sexual difference of optimum environmental condition for growth and maturation of the brown alga Undaria pinnatifida in gametophyte stage (2020)
  • Author(s): Sato, Y., Endo, H., Oikawa, H., Kanematsu, K., Naka, H., Mogamiya, M., Kawano, S., Kazama, Y.
  • Journal Title: Genes Volume: 11 Issue: 8 Pages: 944-944
  • DOI: 10.3390/genes11080944
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The <i>Parachlorella</i> Genome and Transcriptome Endorse Active RWP-RK, Meiosis and Flagellar Genes in Trebouxiophycean Algae (2019)
  • Author(s): Ota, S., Oshima, K., Yamazaki, T., Takeshita, T., Bisova, K., Zachleder, V., Hattori, M. and Kawano, S.
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 84 Issue: 4 Pages: 323-330
  • DOI: 10.1508/cytologia.84.323
  • NAID: 130007769499
  • ISSN: 0011-4545, 1348-7019
  • Year and Date: 2019-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast simultaneous Raman-fluorescence spectroscopy. (2019)
  • Author(s): Lindley, M., Hiramatsu, K., Nomoto, H., Shibata, F., Takeshita, T., Kawano, S. and Goda, K.
  • Journal Title: Anal. Chem. Volume: 91 Issue: 24 Pages: 15563-15563
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03563
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Asexual thalli originated from sporophytic thalli via apomeiosis in the green seaweed Ulva. (2019)
  • Author(s): Ichihara, K., Yamazaki, T., Miyamura, S., Hiraoka, M. and Kawano, S.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 9 Issue: 1 Pages: 13523-13523
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50070-x
  • NAID: 120007163346
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ヘマトコッカス藻の強光回避戦略 (2019)
  • Author(s): 大田修平・河野重行
  • Journal Title: Plant Morphology Volume: 31 Pages: 19-23
  • NAID: 130007823155
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 微細藻類によるバイオ燃料生産の実用化に向けて 新たな株の単離 (2019)
  • Author(s): 竹下毅・細川聡子・河野重行
  • Journal Title: MDB技術予測レポート Volume: 1 Pages: 1-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional ultrastructure and hyperspectral imaging of metabolite accumulation and dynamics in Haematococcus and Chlorella. (2019)
  • Author(s): Ota, S. and Kawano, S.
  • Journal Title: Microscopy Volume: 68 Issue: 1 Pages: 57-68
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfy142
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] カロテノイド市場の形成と展開 (2019)
  • Author(s): 竹下毅・河野重行
  • Journal Title: バイオインダストリー Volume: 36 Pages: 1-11
• [Journal Article] Independent regulation of the lipid and starch synthesis pathways by sulfate metabolites in the green microalga Parachlorella kessleri under sulfur starvation conditions. (2018)
  • Author(s): Yamazaki, T., Konosu, E., Takeshita, T., Hirata, A., Ota, S., Kazama, Y., Abe, T., Kawano, S.
  • Journal Title: Algal Res. Volume: 36 Pages: 37-47
  • DOI: 10.1016/j.algal.2018.09.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of lipid productivity of Parachlorella kessleri heavy-ion beam irradiation mutant PK4 in laboratory and 150-L mass bioreactor, identification and characterization of its genetic variation. (2018)
  • Author(s): Takeshita, T., Ivanov, I. N., Oshima, K., Ishii, K., Kawamoto, H., Ota, S., Yamazaki, T., Hirata, A., Kazama, Y., Abe, T., Hattori, M., Bisova, K., Zachleder, V. and Kawano, S.
  • Journal Title: Algal Res. Volume: 35 Pages: 416-426
  • DOI: 10.1016/j.algal.2018.09.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Carotenoid dynamics and lipid droplet containing astaxanthin in response to light in the green alga Haematococcus pluvialis (2018)
  • Author(s): Ota Shuhei、Morita Aya、Ohnuki Shinsuke、Hirata Aiko、Sekida Satoko、Okuda Kazuo、Ohya Yoshikazu、Kawano Shigeyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-018-23854-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] カロテノイド世界市場の動向と七色クロレラ (2018)
  • Author(s): 竹下毅・河野重行
  • Journal Title: バイオインダストリー Volume: 35 Pages: 9-20
• [Presentation] クロレラの内部倍数性とAr・Feイオンビーム照射による染色体の分断化と再構築 (2021)
  • Author(s): 石井公太郎、風間裕介、浅野円花、竹下毅、阿部知子、河野重行
  • Organizer: 日本藻類学会第45回大会 オンライン開催
• [Presentation] Ar・Feイオンビーム照射によって生じるクロレラ染色体の断片化と染色体再編成 (2020)
  • Author(s): 石井公太郎, 風間裕介, 浅野円花, 阿部知子, 河野重行
  • Organizer: 日本育種学会 第138回講演会 オンライン開催
• [Presentation] 微細藻類クロレラを用いた、重イオンビーム照射による変異株の作出と大量培養への展開 (2020)
  • Author(s): 竹下毅、吉澤有子、工藤恭子、惠良田真由美、篠原理香、河野重行
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会 オンライン開催
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスの性転換に伴う配偶子の細胞融合部位の配置転換 (2020)
  • Author(s): 印南椋矢、宮村新一、大越昌子、南雲保、市原健介、山崎誠和、河野重行
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会 オンライン開催
• [Presentation] 重イオンビーム照射により得られる微細藻類変異株のスクリーニングと大量培養への展開 (2020)
  • Author(s): 竹下毅、吉澤有子、工藤恭子、恵良田真由美、篠原利香、河野重行
  • Organizer: 日本藻類学会第44回大会
• [Presentation] 日本沿岸域に生育する2種のアオノリの比較ゲノム解析 (2020)
  • Author(s): 山崎誠和、市原健介、桑野和可、宮村新一、河野重行
  • Organizer: 日本藻類学会第44回大会
• [Presentation] 海産緑藻の配偶子，動接合子，遊走子における眼点のサイズと生育環境との関係 (2020)
  • Author(s): 宮村新一、桑野和可、河野重行
  • Organizer: 日本藻類学会第44回大会
• [Presentation] 日本沿岸域に生育する2種のアオノリで起きたオルソログの分子進化 (2019)
  • Author(s): 山﨑誠和、市原健介、桑野和可、宮村新一、河野重行
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 海産緑藻の配偶子，動接合子，遊走子における眼点のサイズと分布 (2019)
  • Author(s): 宮村新一、河野重行
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Semi-in vitro アッセイ系を用いた母性遺伝における父方ミトコンドリアDNA分解の解析 (2019)
  • Author(s): 浦川直希、中村聡、岸本真理子、森山陽介、鈴木孝征、横川大輔、河野重行、東山哲也、佐々木成江
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Exclusion and selection of male and female ogranelles during the developmental process from zygotes to the thallus in Ulva partita (2019)
  • Author(s): Kawano, S., Mogi, Y., Yamazaki, T., Miyamura, S., Kuwano, K
  • Organizer: 7th European Phycological Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Carotenoid and lipid accumulation in about twenty species of Chlorophyceae and Trebouxiophyceae under comparatively high light intensity (2019)
  • Author(s): Takeshita, T., Kudo, Y., Hosokawa, S., Erata, M., Kawano, S.
  • Organizer: AlgalBBB 2019: The 9th International Conference on Algal Biomass, Biofuels and Bioproducts
• [Presentation] An optimum condition for promoting growth and maturation at gametophyte stage of Undaria pinnatifida by optimal screening and application for the seedling production on industrial-scale (2019)
  • Author(s): Sato, Y., Oikawa, H., Kanematsu, K., Naka, H., Kawano, S.
  • Organizer: AlgalBBB 2019: The 9th International Conference on Algal Biomass, Biofuels and Bioproducts
• [Presentation] ヘマトコッカス藻の株間にみられる表現型とカロテノイド合成能の多様性 (2019)
  • Author(s): 柴田 洋、三浦 昌也、鈴木 辰弥、竹下 毅、河野 重行
  • Organizer: 日本藻類学会第43回大会、京都大学・吉田南キャンパス（京都市）
• [Presentation] トレボウクシア藻の強光ストレス条件下における色素変化とオイル蓄積 (2019)
  • Author(s): 竹下 毅、柴田 洋、惠良田 真由美、宮下 英明、河野 重行
  • Organizer: 日本藻類学会第43回大会、京都大学・吉田南キャンパス（京都市）
• [Presentation] 電顕３Dとハイパースペクトルで見るヘマトコッカス藻のカロテノイド分布とその動態 (2018)
  • Author(s): 大田 修平、河野 重行
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会、広島国際会議場（広島県・広島市）
  • Invited
• [Presentation] ハイパースペクトラルイメージングと画像解析による微細藻類のモニタリングシステムの開発 (2018)
  • Author(s): 大貫 慎輔、大田 修平、河野 重行、大矢 禎一
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会、広島国際会議場（広島県・広島市）
  • Invited
• [Book] 脱石油に向けたCO2資源化技術―化学・生物プロセスを中心に― (2020)
  • Author(s): 湯川英明（監修）竹下毅・細川聡子・河野重行（一部共著）
  • Total Pages: 375
  • Publisher: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781315102
• [Remarks] 機能性バイオプロジェクト・研究紹介
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/pls/research.html
• [Remarks] 機能性バイオ研究支援フォーラム・Research Topics
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/functionalbio/research.html
• [Remarks] 機能性バイオ研究支援フォーラム・Archives
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/functionalbio/archives.html
• [Remarks] 機能性バイオ研究支援フォーラム・Research Topics
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/pls/research.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 抗精神疾患剤 (2020)
  • Inventor(s): 河野 重行、竹下 毅、礒田 博子、佐々木 一憲
  • Industrial Property Rights Holder: 河野 重行、竹下 毅、礒田 博子、佐々木 一憲
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-048362
  • Filing Date: 2020