2018 Fiscal Year Annual Research Report
Methane fermentation of inedible biomass by highly concentrated and compacted functional rumen microbial communities
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17H01512
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| Research Institution | Niigata Agro-Food University |
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Principal Investigator |
中井 裕 新潟食料農業大学, 食料産業学科, 教授 (80155655)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多田 千佳 東北大学, 農学研究科, 准教授 (30413892)
福田 康弘 東北大学, 農学研究科, 助教 (50527794)
馬場 保徳 石川県立大学, 生物資源環境学部, 助教 (70747823)
浅野 亮樹 新潟食料農業大学, 食料産業学科, 講師 (20646137)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | メタン / ルーメン微生物 / バイオマス / メタゲノム / キシラン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
世界の穀物残さは 517 百万トンにのぼり，エネルギー化等のそれらの有効活用が求められる．我々は食肉処理場で廃棄されている牛のルーメン（第一胃）液に着目して，これを活用することで草本系バイオマスのリグノセルロース分解効率を高めたルーメン・ハイブリッド型メタン発酵システムを開発した．このシステムはまず草木系バイオマスに牛ルーメン液を混合,保温して植物繊維構成多糖類を分解し（ルーメン処理）,その後この混合物をメタン発酵するシステムである.今後，実用化に向け，ルーメン液のコンパクト化と同時にルーメン由来微生物や酵素がルーメン処理とメタン発酵処理の両過程で高い活性を維持することが求められている．しかし，これまでルーメン・メタン発酵両条件下で，高いリグノセルロース分解活性を持つルーメン微生物群集については，全く解明されていない．そこで本科研費研究では，微生物の顕微鏡観察・網羅的遺伝子解析・リグノセルロース分解酵素活性・ガス化効率を総合的に評価しながら，本システム過程において高リグノセルロース分解活性をもつ微生物の特定し，それらを指標としてルーメン液を高密度コンパクト化することを試みる．本年度の研究は，セルロースに次ぐ植物繊維構成多糖類であるキシランに注目して，その分解酵素（キシラナーゼ）の解析をすすめた．その結果，ルーメン処理過程においてキシラナーゼはセルラーゼと大きく異なる挙動をしめすことを捉えた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度もルーメン処理に寄与する繊維分解酵素に注目して，繊維分解酵素の挙動，またそれら酵素を発現する微生物種の同定に取り組んだ（課題１）．またルーメン処理とメタン発酵処理の両過程における微生物群集構造の動態を解析にした（課題２）．
課題1）高活性繊維分解酵素とそれを発現する微生物の同定
すでに我々は繊維分解酵素の一つセルラーゼに着目し，ルーメン処理へ寄与する酵素をザイモグラムで解析している．そこで得られた知見は，分子量の異なる多数のセルラーゼが高い繊維分解活性をもつこと，またルーメン処理の経過とともに高活性セルラーゼの分子種が異なることであった．本年度の解析は，新たな繊維分解酵素：キシラナーゼについてセルラーゼと同様に進めた．興味深いことに,ルーメン処理を通じて特定の限られたキシラナーゼが高い活性を維持しているという，セルラーゼと全く異なる推移をとることが明らかになった．これらのキシラナーゼを特定すべく，ショットガンメタゲノム解析で構築されたデータベースをサーベイしたが，候補遺伝子は見いだされなかった．そこで LC/MS/MS を新たに行い，キシラナーゼおよび酵素を産生する生物種の特定を進めている．また新たに RNA-seq データを用いた探索も行う計画を立てている．
課題2）リグノセルロース分解微生物の群集構造解析
これまでルーメン処理において植物細胞壁を分解する微生物種が示されている（Baba et al., 2017. J Biosci Bioeng. 123. 489）．これらの情報に基づき、セルラーゼ活性の高い時期と低い時期の微生物群集を比較した。その結果，セルラーゼ活性の高い時期に，有意に多く検出された配列の中から，セルロース分解微生物を検出することができた。（論文投稿前であるため詳細な結果は割愛）．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究結果に基づき、引き続き課題1), 2)について研究を進める。
課題1）高活性セルロース分解酵素とそれを発現する微生物の同定
高活性セルロース分解酵素とそれを発現する微生物の同定については，明らかになった高活性セルラーゼ に注目して質量分析を行い，また課題 2 で得た次世代シーケンスの配列情報を活用して，高活性セルラーゼ の特定と生化学的特徴の解明，さらに高活性 セルラーゼ を発現する微生物種を同定する．
課題2）リグノセルロース分解微生物の群集構造解析
リグノセルロース分解微生物の群集構造解析については，本年度の結果に基づいて，ルーメン液の濃縮における指標となる微生物を選定する．またリードのアノテーションも進めており，各々の処理における酵素や機能性微生物の解析を行う．
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