糖の使い分けによる高収率物質生産微生物の構築

• 研究課題/領域番号: 19H02526
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分27040:バイオ機能応用およびバイオプロセス工学関連
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 田中 勉 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (90436551)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2019年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円)
• キーワード: 代謝工学 / バイオリファイナリー

研究開始時の研究の概要

本研究では「増殖 or 生産」というジレンマを脱却して「増殖 and 生産」という新しい方法論を提案する。解糖系とTCA回路を完全に切り離し、さらに糖を使い分けることで、微生物に最初から増殖に違う経路を使ってもらう技術を開発する。基盤微生物を構築しPEPおよびアセチルCoAを前駆体とする有用化合物（ムコン酸・メバロン酸）の炭素収率を劇的に向上させる。

研究成果の概要

本研究では、PMPE (Parallel Metabolic Pathway Engineering) と呼ばれる新しい代謝工学技術を開発した。目的物質の生産と細胞増殖のために、それぞれグルコースとキシロースを炭素源とし、それぞれの糖に由来する炭素が代謝系内で交錯しないように設計した。さらに培養液の検討とpHの最適化を行った結果、80時間の培養で4.26g/LのMAを生産し、消費されたグルコースに対するMA収率は80時間培養で0.31g/gに達した。この収量は、バッチ式でのMA生産において世界最高であり、PMPEが有効な戦略であることが示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

低炭素社会の実現には、いかに炭素を効率よく使うか、つまり収率の向上が大きな鍵となる。しかし、微生物は投入した炭素源を物質生産ではなく菌体増殖の方へと流してしまう。そこで本研究では、Parallel Metabolic Pathway Engineering （PMPE）という新しい手法を開発した。本技術は、収率の向上のみならず、使える炭素源の種類を拡張させる点でも低炭素化に大きく貢献している。

研究成果

• [雑誌論文] G6P-capturing molecules in the periplasm of Escherichia coli accelerate the shikimate pathway (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara, R., Nakano, M., Hirata, Y., Otomo, C., Nonaka, D., Kawada, S., Nakazawa, H., Umetsu, M., Shirai, T., Noda, S.*, Tanaka, T.*, Kondo, A.
  • 雑誌名: Metabolic Engineering 巻: 72 ページ: 68-81
  • DOI: 10.1016/j.ymben.2022.03.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolic engineering of 1,2-propanediol production from cellobiose using beta-glucosidase-expressing E. coli (2021)
  • 著者名/発表者名: Nonaka Daisuke、Fujiwara Ryosuke、Hirata Yuuki、Tanaka Tsutomu、Kondo Akihiko
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 329 ページ: 124858-124858
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2021.124858
  • NAID: 120007026334
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolic Engineering of Shikimic Acid-Producing Corynebacterium glutamicum From Glucose and Cellobiose Retaining Its Phosphotransferase System Function and Pyruvate Kinase Activities (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato Naoki、Kishida Mayumi、Nakano Mariko、Hirata Yuuki、Tanaka Tsutomu
  • 雑誌名: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 巻: 8 ページ: 569406-569406
  • DOI: 10.3389/fbioe.2020.569406
  • NAID: 120006894009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolic engineering of E. coli for improving mevalonate production to promote NADPH regeneration and enhance acetyl-CoA supply (2020)
  • 著者名/発表者名: Satowa Daichi、Fujiwara Ryosuke、Uchio Shogo、Nakano Mariko、Otomo Chisako、Hirata Yuuki、Matsumoto Takuya、Noda Shuhei、Tanaka Tsutomu、Kondo Akihiko
  • 雑誌名: Biotechnology and Bioengineering 巻: － 号: 7 ページ: 2153-2164
  • DOI: 10.1002/bit.27350
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolic engineering of Escherichia coli for shikimate pathway derivative production from glucose?xylose co-substrate (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Ryosuke、Noda Shuhei、Tanaka Tsutomu、Kondo Akihiko
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 279-291
  • DOI: 10.1038/s41467-019-14024-1
  • NAID: 120006818769
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 大腸菌を用いたカフェ酸生産技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 寒河江 康介、野中 大輔、藤原 良介、田中 勉、近藤 昭彦
  • 学会等名: 化学工学会 第52回秋季大会
• [学会発表] コリネ菌を用いたメチオニン生産技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 盛尾 美和、田中 勉、近藤 昭彦
  • 学会等名: 化学工学会 第52回秋季大会
• [学会発表] 油性酵母を宿主とした三酢酸ラクトン生産技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松岡 宥汰、藤江 直史、田中 勉、近藤 昭彦
  • 学会等名: 化学工学会 第52回秋季大会
• [学会発表] Production of 4-hydroxybenzoic acid from glucose using Corynebacterium glutamicum (2021)
  • 著者名/発表者名: Misa Doke, Miwa Morio, Tsutomu Tanaka, Akihiko Kondo
  • 学会等名: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • 国際学会
• [学会発表] コリネ菌を用いたグルコースからの 4-ヒドロキシ安息香酸生産技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 道家 美紗、盛尾 美和、田中 勉、近藤 昭彦
  • 学会等名: 第73回日本生物工学会
• [学会発表] Metabolic engineering of Escherichia coli for caffeic acid production (2021)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Sakae, Daisuke Nonaka, Ryosuke Fujiwara, Tsutomu Tanaka, and Akihiko Kondo
  • 学会等名: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • 国際学会
• [学会発表] Aerobic production of 1,2-propanediol in engineered Escherichia coli by dividing metabolic pathway (2021)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Nonaka, Ryosuke Fujiwara, Tsutomu Tanaka, and Akihiko Kondo
  • 学会等名: Metabolic Engineering 14
  • 国際学会
• [学会発表] 代謝経路の分断による 1,2-プロパンジオールの好気発酵生産技術の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野中 大輔、藤原 良介、田中 勉、近藤 昭彦
  • 学会等名: 第73回日本生物工学会
• [学会発表] Vanillin production from glucose in engineered Schizosaccharomyces pombe (2021)
  • 著者名/発表者名: Wakana Kawamura, Naofumi Fujie, Tsutomu Tanaka, Akihiko KondoWakana Kawamura, Naofumi Fujie, Tsutomu Tanaka, Akihiko Kondo
  • 学会等名: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • 国際学会
• [学会発表] Metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for l-methionine production (2021)
  • 著者名/発表者名: Metabolic engineering of Corynebacterium glutamicum for l-methionine production
  • 学会等名: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • 国際学会
• [学会発表] Metabolic engineering of Schizosaccharomyces pombe for itaconic acid production (2021)
  • 著者名/発表者名: Naofumi Fujie, Miki Ito, Tsutomu Tanaka, Akihiko Kondo
  • 学会等名: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • 国際学会
• [学会発表] Dividing metabolic pathway in Escherichia coli for high-yield 1,2-propanediol production under aerobic condition (2021)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Nonaka, Ryosuke Fujiwara, Tsutomu Tanaka, and Akihiko Kondo
  • 学会等名: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • 国際学会
• [学会発表] Triacetic acid lactone production from glucose using Yarrowia lipolytica (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuta Matsuoka, Naofumi Fujie, Tsutomu Tanaka, and Akihiko Kondo
  • 学会等名: The 26th Symposium of Young Asian Biological Engineers’ Community
  • 国際学会
• [学会発表] 大腸菌の代謝改変による1,2-プロパンジオール生産技術の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野中 大輔・藤原 良介・ 田中 勉・ 近藤 昭彦
  • 学会等名: 化学工学会第86年会
• [学会発表] Parallel Metabolic Pathway Engineeringを用いた大腸菌による高収率物質生産 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤原良介, 野田修平, 田中 勉, 近藤昭彦
  • 学会等名: 酵素工学研究会第８２回講演会
• [学会発表] コリネ菌におけるシキミ酸経路の強化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤直樹, 田中 勉, 近藤昭彦
  • 学会等名: 酵素工学研究会第８２回講演会
• [学会発表] Production of shikimic acid using metabolically engineered Corynebacterium glutamicum (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki SATO, Rena MATSUURA, Tsutomu TANAKA, Akihiko KONDO
  • 学会等名: 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Metabolic engineering to improve 1,5-diaminopentane production from cellobiose using BGL-secreting Corynebacterium glutamicum (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, T., Kondo, A.
  • 学会等名: 14th International symposium on Biocatalysis and Biotransformations (Biotrans 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] High yield bioproduction of shikimate pathway derivatives by"Parallel Metabolic Design" (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki SATO, Rena MATSUURA, Tsutomu TANAKA, Akihiko KONDO
  • 学会等名: 14th International symposium on Biocatalysis and Biotransformations (Biotrans 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] High yield bioproduction of shikimate pathway derivatives by"Parallel Metabolic Design" (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Ryosuke、Noda Shuhei、Tanaka Tsutomu、Kondo Akihiko
  • 学会等名: 14th International symposium on Biocatalysis and Biotransformations (Biotrans 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancing 3-hydroxypropionic acid production in combination with cell surface display and metabolic engineering of S. pombe (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, T., Kondo, A.
  • 学会等名: Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals (SBFC)
  • 国際学会
• [学会発表] High yield production of muconic acid from glucose by supplementing the carbon source from xylose for cell growth. (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Ryosuke、Noda Shuhei、Tanaka Tsutomu、Kondo Akihiko
  • 学会等名: Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals (SBFC)
  • 国際学会
• [備考] 微生物に糖を目的別に使い分けさせる新技術でポリマー原料の生産性向上に成功
  • URL: https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2020_01_14_02.html
• [産業財産権] 糖代謝経路が改変された微生物 (2019)
  • 発明者名: 田中勉、野田修平、藤原良介
  • 権利者名: 田中勉、野田修平、藤原良介
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-089294
  • 出願年月日: 2019