「大気窒素」活用型次世代発酵技術の基盤開発と循環型社会の構築
| Project/Area Number |
19K22928
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Review Section |
Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
橋本 渉 京都大学, 農学研究科, 教授 (30273519)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
|
| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
|
|---|
| Keywords | 大気窒素 / 窒素固定細菌 / バイオリファイナリー / 生分解性プラスチック / 廃グリセロール / ブルーカーボン / SDGs / 低炭素社会 / 発酵 |
|---|
| Outline of Research at the Start |
これまでカーボンニュートラルの概念に基づき、低炭素化に重点が置かれている。一方、アンモニアの化学合成（ハーバー・ボッシュ法）は、大量のエネルギー消費を伴い、且つ「硝酸態窒素」による土壌汚染を引き起こしている。そのため、省エネルギーと適切な窒素循環の再構築が求められている。そこで、本研究では、窒素固定細菌を用いて「大気窒素」を積極的に利活用する基盤技術を開発する。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、莫大なエネルギーを必要とする化学的窒素固定を低減し、生物学的窒素固定を推進する研究の一環として、窒素固定細菌による「大気窒素」を積極的に利活用する次世代の発酵技術を開発することにより、廃棄物や難利用資源から有用物質（アンモニア、アミノ酸、バイオプラスチックなど）を生産することを目指しており、以下の成果を得た。
グラム陰性窒素固定細菌Azotobacter vinelandiiは、バイオディーゼル燃料の製造に副生する「廃グリセロール」から二種類の有用バイオポリマー（ポリヒドロキシ酪酸PHBとアルギン酸）を生産することを明らかにしている。両者の生産は競合するため、育種したアルギン酸合成欠損株のPHB生産を評価した。その結果、アルギン酸合成欠損株は野生株と比較すると細胞当たりで4.6倍、培養液当たりで10倍多くPHBを生産した。
「大気窒素」の固定により生じた窒素化合物について、A. vinelandiiの分泌生産を調べた。その結果、本菌が純品のグリセロールから、アミノ酸（ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニンなど）やエタノールアミンなどを分泌生産することを見いだした。
「廃グリセロール」の他に、A. vinelandiiの原材料の利用性を調べた。褐藻類の藻体表面に存在するマンニトールに着目した。海水の2倍希釈に相当する塩濃度でも、本菌がマンニトールを良好に資化することがわかった。
A. vinelandiiは、アルギン酸を内包した膜小胞を菌体外に分泌する。グラム陰性細菌に共通する膜小胞の形成機構を明らかにするため、種々のグラム陰性細菌の膜小胞形成能を調べた。その結果、多種のBacteroides属細菌が膜小胞を形成することを見いだした。
以上のことから、「大気窒素」を活用する窒素固定細菌により、未利用資源（廃棄物や海洋バイオマス）から有用物質（バイオポリマーやアミノ酸）を生産できることを明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
陸上植物と比較して海洋植物による二酸化炭素の固定量が多いことが示され、海洋で固定された炭素資源（ブルーカーボン）の高度利用が重要になってきている。養殖が容易なホンダワラなどの褐藻類に多量に含まれる多糖アルギン酸と単糖マンニトールは、有用物質（バイオ燃料、バイオプラスチックなど）生産の原料として期待される。しかし、海洋資源は高い塩濃度で存在するため、その生物利用には耐塩性が求められる。本研究で、Azotobacter vinelandiiが約2%のNaCl存在下でもマンニトールを良好に資化することから、本菌は窒素源無添加（「大気窒素」のみ）でブルーカーボンを利活用できる有用微生物であることを明らかにした。
窒素源無添加（「大気窒素」のみ）の条件下で、A. vinelandiiが窒素化合物（アミノ酸やエタノールアミンなど）を分泌生産することから、「大気窒素」の窒素原子が直接利用されたことを示している。エタノールアミンは二酸化炭素の吸収剤として利用されているため、脱炭素社会への貢献が期待できる。また、ポリヒドロキシ酪酸PHBを高生産するA. vinelandii改変株を育種した。
A. vinelandiiは、アルギン酸を膜小胞を介して分泌する。グラム陰性細菌の膜小胞に関して、共通する形成機構には不明な点が多い。グラム陰性細菌の細胞表層構造を電子顕微鏡で観察したところ、最近次世代プロバイオティクスとして注目されいているBacteroides属細菌の多くの種が膜小胞を形成することを新たに見いだした。本発見は、グラム陰性細菌に共通する膜小胞形成機構を解析する礎となる成果である。
以上のことから、「廃グリセロール」からの有用バイオポリマーの生産効率の向上、及び「大気窒素」からの有用窒素化合物（アミノ酸など）の微生物生産を達成できたことから、環境調和型・低コスト型の「大気窒素」活用システムを開発するための基盤的成果を得た。
|
| Strategy for Future Research Activity |
二種類の有用バイオポリマー（ポリヒドロキシ酪酸PHBとアルギン酸）に加えて、「大気窒素」と「廃グリセロール」からA. vinelandiiによる有用窒素化合物（アミノ酸、アンモニアなど）の分泌生産に着手する。また、PHB合成欠損株を育種し、そのアルギン酸生産性を評価する。
ブルーカーボンとしての海洋バイオマス（マンニトール）の利活用を進めるため、海水を含む条件下で、窒素固定細菌によるマンニトールと「大気窒素」からの有用物質（PHB、アルギン酸、アミノ酸、アンモニアなど）生産を解析する。
最近、アンモニアが次世代エネルギーとして注目されている。燃焼しても二酸化炭素を発生せず、同じく次世代エネルギーとして期待されている水素と比較して、大量輸送が可能なアンモニアはエネルギー素材として大きな可能性を秘めている。本研究で使用している窒素固定細菌は「大気窒素」を還元してアンモニア（アンモニウムイオン）を生産することができる。アンモニアの化学合成法であるハーバー・ボッシュ法は、高温・高圧の反応条件を必要とするため、持続可能な開発目標（SDGs）の観点から好ましくない。そこで、本研究対象である窒素固定細菌の積極的活用を推進する。具体的には、上記の研究とともに、既存の窒素固定細菌のみならず、スクリーニングにより新たに窒素固定細菌を分離同定し、その有用物質生産性を評価する。
グラム陰性細菌による膜小胞の形成に関して、種々の細菌の膜小胞に存在するタンパク質や酵素を網羅的に解析し、普遍的に存在する分子を見いだす。当該分子の発現量や機能などの観点から、グラム陰性細菌に共通する膜小胞の形成機構を解析する。
以上の研究により、廃棄物やブルーカーボンを活用し、生物学的窒素固定を推進することは、化学的窒素固定の低減化（省エネルギーと二酸化炭素の排出削減）に繋がり、SDGsの達成に大いに貢献すると期待される。
|
Report
(2 results)
Research Products
(2 results)
