| 研究課題/領域番号 |
22K12449
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分64030:環境材料およびリサイクル技術関連
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| 研究機関 | 熊本県立大学 |
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研究代表者 |
松崎 弘美 熊本県立大学, 環境共生学部, 教授 (30326491)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 生分解性プラスチック / バイオプラスチック / 水素細菌 / 乳酸 / 二酸化炭素 / ポリヒドロキシアルカン酸 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
プラスチックはその性質が有用であるが、難分解性であるため、海洋汚染など様々な環境問題を引き起こしている。そのため、自然環境中で完全に分解される生分解性プラスチックの使用が期待される。微生物が合成するバイオプラスチック、ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）はその有力な候補であるが、野生株が合成するPHAは物性に難があり実用的ではない。そこで本研究では、実用性に優れた高性能バイオプラスチックを合成する水素細菌の分子育種を行うことを目的とする。水素細菌を用いて二酸化炭素から高性能な生分解性バイオプラスチックを生合成することは、地球環境汚染を防ぐのみならず、地球温暖化防止にも貢献する。
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| 研究実績の概要 |
高性能バイオプラスチックを合成する水素細菌の分子育種を行うことが本研究の目的である。水素細菌Cupriavidus necatorは糖や脂質のみならずCO2を炭素源として増殖することができるため、CO2から生分解性の高性能バイオプラスチックを生合成することは地球環境汚染を防ぐのみならず、地球温暖化防止にも貢献する。
C. necatorはポリヒドロキシアルカン酸（PHA）のポリ-3-ヒドロキシブタン酸 [P(3HB)] を合成する。P(3HB)は不透明かつ硬くて脆い高分子材料であるため、実用的ではない。そこで、透明性と柔軟性を付与するため、乳酸（LA）と3HBユニットの共重合体P(LA-co-3HB)の生合成を行った。野生株のH16株の短鎖長特異的PHA重合酵素遺伝子phbC破壊株やphbCをD-乳酸（D-LA）ユニットをポリマー鎖に取り込むことができるPseudomonas sp. 61-3由来のPHA重合酵素改変体遺伝子phaC1(STQK)で置換した株を宿主に用いて、D-乳酸脱水素酵素（LdhD）、プロピオニルCoA転移酵素（Pct）、そして、PhaC1(STQK)の遺伝子を導入した組換え株を作製した。組換え株をフルクトースやグルコン酸を炭素源として培養した結果、P(LA-co-3HB)を合成した。しかし、LA分率は5 mol%以下であり、透明性を有するためにはLA分率を20から30 mol%まで高める必要がある。そこで、グルコースを資化できるNCIMB 11599株を用いて、3HB-CoA供給量を低下させた遺伝子破壊株を作製した。この株を宿主にして組換え株を作製したところ、グルコースを炭素源として25 mol%のLA分率からなるP(LA-co-3HB)を20 wt%合成した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
これまで、C. necator H16（野生株）のphbC遺伝子を破壊した株およびphaC1(STQK)遺伝子に置換した株を宿主として利用し、ldhDおよびpct遺伝子を導入した組換え株、さらにphaC1(STQK)遺伝子を導入した組換え株を作製したところ、糖を炭素源としてLA分率が5 mol%以下からなるP(LA-co-3HB)を合成した。しかし、LA分率が低く、P(3HB)とほとんど同じであった。そこで、C. necator NCIMB 11599（グルコース資化能を有する野生株）の3HB供給量を低下させた株を作製し、これを宿主とすることで、その組換え株はグルコースから25 mol%のLA分率からなるP(LA-co-3HB)を合成することに成功した。C. necatorを宿主として相対的に高いLA分率からなるポリマーはこれまでに得られておらず、研究はおおむね順調に進行しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
C. necatorの分子育種株を宿主とした組換え株は、透明性を有すると考えられる25 mol%のLA分率からなるP(LA-co-3HB)を合成した。しかしながら、菌体内蓄積率は20 wt%と低く、これを向上させる必要がある。そのため、乳酸ベースバイオプラスチックの生合成に不要と思われる代謝酵素遺伝子を破壊あるいはポリマー生合成関連遺伝子に置換して、さらに分子育種を行う。また、導入遺伝子の発現量をウエスタン解析によって調査し、プロモーターの検討を行う。加えて、生合成したポリマーを菌体から抽出・精製し、その熱的性質・ポリマー構造・分子量・機械的性質を調べ、実用的な高性能な高分子材料であるかを調べる。
さらに、糖を炭素源としてLA分率が比較的高いP(LA-co-3HB)を合成することができたことから、C. necatorの分子育種をさらに進めて、ポリマー蓄積率の高い組換え株を選抜した後、CO2を炭素源として、高性能バイオプラスチックといえるP(LA-co-3HB)の生合成に着手する。
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