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2018 年度 実績報告書

木質バイオマスの合成・分解プロセスに学ぶ植物構造ユニットの力学的最適化戦略

計画研究

研究領域植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成
研究課題/領域番号 18H05494
研究機関東京大学

研究代表者

五十嵐 圭日子  東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (80345181)

研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワードセルロース / セルラーゼ / セロデキストリン加リン酸分解酵素 / エクスパンシン
研究実績の概要

自然界において木は、多様な酵素を用いて木質バイオマスを生合成している。しかしながら、生合成酵素は単量体の重合を触媒しているに過ぎず、生産された高分子化合物が自己組織化し、物理的に強靱な素材が形作られることが、植物構造ユニットの構築に重要な要素である。一方、自然界では様々な微生物が植物細胞壁を分解しているが、それらの分解酵素は植物構造ユニットの細かな違いを認識し、選択的に分解することで、植物細胞壁の力学的強度を落とすようにデザインされている。本研究計画ではこの生合成と生分解プロセスを通じ、植物細胞壁構成成分同士または構成成分と分解酵素の分子間相互作用(インタラクション)に関する情報を多角的に集め、植物構造ユニットの力学的最適化戦略にせまることを目的としている。
平成30年度は、まず基礎的な知見として、植物細胞壁の主成分であるセルロースがどのように結晶(セルロースナノクリスタル:CNC)化し、それがセルロースナノファイバー(CNF)化するのかを明らかにするとともに、植物細胞壁の生合成および生分解に関わる酵素の生産に力点を置いた。また、セルロース分解性細菌由来のセロデキストリン加リン酸分解酵素(CDP)の逆反応を用いて極めて結晶化度の高いCNCを生産する実験系も有しており、それらの合成反応を高速原子間力顕微鏡などによって分子レベルで観察することで、セルロースが水系の反応場でいかに自己組織化するかを詳細に調べた。また、植物細胞壁分解酵素の中で逆反応が可能なCDPを用いることによって、in vitroにおけるCNCの生産を試みるとともに、その詳細な構造と力学的性質を調べる。さらに自己組織化の様子を、高速原子間力顕微鏡を用いて動的な挙動を観察し、得られた画像の解析行った。

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

セルロース合成酵素の異宿主発現は、当初に予想した通り進展が遅いが、その代替であるセロデキストリン加リン酸分解酵素の実験系がうまく動いていることから、実験自体に遅延はない。高速原子間力顕微鏡による観察も終えて実験も順調である。さらにエクスパンシンの特徴付けを行ったところ、非常に興味深い性質が見つかってきている。次年度にそれらに関して詳細を報告できると考えている。

今後の研究の推進方策

セロデキストリン加リン酸分解酵素による結晶性セルロースの合成系は、宇宙での実験を行うために準備を行っている。JAXAからの不採択通知をもとに、有人宇宙システム株式会社(JAMSS)との共同研究をスタートさせている。エクスパンシンの特徴付けに関しても引き続き行って行く予定である。

  • 研究成果

    (33件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 9件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] VTT Technical Research Centre of FInland(フィンランド)

    • 国名
      フィンランド
    • 外国機関名
      VTT Technical Research Centre of FInland
  • [国際共同研究] Cambridge University(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      Cambridge University
  • [国際共同研究] SLU(スウェーデン)

    • 国名
      スウェーデン
    • 外国機関名
      SLU
  • [国際共同研究] NTNU/Norwegian University of Life Sciences(ノルウェー)

    • 国名
      ノルウェー
    • 外国機関名
      NTNU/Norwegian University of Life Sciences
  • [国際共同研究] BOKU(オーストリア)

    • 国名
      オーストリア
    • 外国機関名
      BOKU
  • [雑誌論文] セルラーゼの中性子構造解析で明らかにするタンパク質における互変異の重要性2019

    • 著者名/発表者名
      五十嵐圭日子, 立岡美夏子
    • 雑誌名

      放射光

      巻: 32 ページ: 59-66

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Protein Components of Water Extracts From Fruiting Bodies of the Reishi Mushroom Ganoderma Lucidum Contribute to the Production of Functional Molecules2019

    • 著者名/発表者名
      Kumakura, K., Hori, C., Matsuoka, H., Igarashi, K. and Samejima, M.
    • 雑誌名

      J. Sci. Food Agric.

      巻: 99 ページ: 529-535

    • DOI

      10.1002/jsfa.9211.

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ten years of CAZypedia: a living encyclopedia of carbohydrate-active enzymes2018

    • 著者名/発表者名
      The CAZypedia Consortium
    • 雑誌名

      Glycobiology

      巻: 28 ページ: 3-8

    • DOI

      10.1093/glycob/cwx089

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Secretome analysis of the basidiomycete Phanerochaete chrysosporium grown on ammonia-treated lignocellulosic biomass from birch wood.2018

    • 著者名/発表者名
      Sakuragi, K., Hori,C., Igarashi, K. and Samejima, M.
    • 雑誌名

      J. Wood Sci.

      巻: 64 ページ: 845-853

    • DOI

      10.1007/s10086-018-1770-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structural and thermodynamic insights into β-1, 2-glucooligosaccharide capture by a solute-binding protein in Listeria innocua.2018

    • 著者名/発表者名
      Abe, K., Sunagawa, N., Terada, T., Takahashi, Y., Arakawa, T., Igarashi, K., Samejima, M., Nakai, H., Taguchi, H., Nakajima, M., and Fushinobu, S.
    • 雑誌名

      J. Biol. Chem.

      巻: 293 ページ: 8812-8828

    • DOI

      10.1074/jbc.RA117.001536

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Application of ammonia pretreatment to enable enzymatic hydrolysis of hardwood biomass.2018

    • 著者名/発表者名
      Sakuragi, K., Igarashi, K. and Samejima, M.
    • 雑誌名

      Polymer Degrad. Stabil.

      巻: 148 ページ: 19-25

    • DOI

      10.1016/j.polymdegradstab.2017.12.008

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Degradation pathway of plant complex-type N-glycans: identification and characterization of a key α1, 3-fucosidase from glycoside hydrolase family 29.2018

    • 著者名/発表者名
      Kato, S., Hayashi, M., Kitagawa, M., Kajiura, H., Maeda, M., Kimura, Y., Igarashi, K., Kasahara, M. and Ishimizu, T.
    • 雑誌名

      Biochem. J.

      巻: 475 ページ: 305-317

    • DOI

      10.1042/BCJ20170106.

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Enzymes suitable for biorefinery to coproduce hexaric acids and electricity from hexuronic acids derived from biomass2018

    • 著者名/発表者名
      Sakuta, R., Takeda, K., Igarashi, K., Ohno, H., Nakamura, N.
    • 雑誌名

      Energy Technology

      巻: 6 ページ: 273-279

    • DOI

      10.1002/ente.201700404

    • 査読あり
  • [雑誌論文] バイオエコノミートランスフォーメーション-持続可能社会を真に実現するためのアプローチ-2018

    • 著者名/発表者名
      五十嵐圭日子
    • 雑誌名

      バイオプラジャーナル

      巻: 70 ページ: 10-14

  • [雑誌論文] バイオマスを利用して地球を守る2018

    • 著者名/発表者名
      五十嵐圭日子
    • 雑誌名

      横河技報

      巻: 61 ページ: 33-34

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] 中性子で解き直し2018

    • 著者名/発表者名
      五十嵐圭日子
    • 雑誌名

      四季

      巻: 41 ページ: 1

    • オープンアクセス
  • [学会発表] Function of an α-L-arabinofuranosidase in the cellulosic biomass degradation by the white-rot basidiomycete Phanerochaete chrysosporium2018

    • 著者名/発表者名
      Keita Kine, Naoki Sunagawa, Kiyohiko Igarashi, Masahiro Samejima
    • 学会等名
      LignoBiotech 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] The hydrolytic activity of α-expansin from peach2018

    • 著者名/発表者名
      Kaori Matsuyama, Tatsuya Kondo, Naoki Sunagawa, Tatsuji Sakamoto, Megumi Ishimaru, Kiyohiko Igarashi
    • 学会等名
      LignoBiotech 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] トマトβ-ガラクトシダーゼ(TBG)4の基質認識機構について2018

    • 著者名/発表者名
      松山佳織、近藤辰哉、中江摂、五十嵐圭日子、阪本龍司、多田俊治、石丸恵
    • 学会等名
      第12回植物細胞壁研究者ネットワーク2018年定例研究会
  • [学会発表] β-キシロシダーゼの基質特異性から見えるきのことかびにおけるバイオマス分解戦略の違い2018

    • 著者名/発表者名
      小島圭輔、砂川直輝、五十嵐圭日子、鮫島正浩
    • 学会等名
      第12回植物細胞壁研究者ネットワーク2018年定例研究会
  • [学会発表] Substrate specificity and kinetics analysis of beta-xylosidase from the basidiomycete Phanerochaete chrysosporium2018

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Kojima, Naoko Sunagawa, Kiyohiko Igarashi, Masahiro Samejima
    • 学会等名
      第6回アジアバイオマス科学会議
    • 国際学会
  • [学会発表] 植物由来新規XTH酵素が有するセルロース基質に対する糖転移活性の解析2018

    • 著者名/発表者名
      砂川直輝、五十嵐圭日子、鮫島正浩、篠原直貴、九鬼寛明、黒羽剛、横山隆亮、西谷和彦
    • 学会等名
      セルラーゼ研究会第32回大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 担子菌Phanerochaete chrysosporiumにおけるα-L-アラビノフラノシダーゼの役割2018

    • 著者名/発表者名
      木根啓太、砂川直輝、五十嵐圭日子、鮫島正浩
    • 学会等名
      セルラーゼ研究会第32回大会
  • [学会発表] モモ果実由来α-エクスパンシンの糖加水分解活性2018

    • 著者名/発表者名
      松山佳織、砂川直輝、五十嵐圭日子、石丸恵、近藤辰哉、阪本龍司
    • 学会等名
      セルラーゼ研究会第32回大会
  • [学会発表] 糸状菌由来GH family3β-キシロシダーゼの構造と反応特性の比較解析2018

    • 著者名/発表者名
      小島圭輔、砂川直輝、五十嵐圭日子、鮫島正浩
    • 学会等名
      セルラーゼ研究会第32回大会
  • [学会発表] 担子菌Phanerochaete chrysosporium 由来エンドグルカナーゼPc Cel12Aの機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      吉松竜宏、砂川直輝、五十嵐圭日子、鮫島正浩
    • 学会等名
      セルラーゼ研究会第32回大会
  • [学会発表] Redox contribution of CDH and LPMO on lignocellulose degradation by the white-rot fungus Phanerochaete chrysosporium2018

    • 著者名/発表者名
      Kiyohiko Igarashi
    • 学会等名
      2nd LPMO Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Molecular Mechanisms of Cellulases2018

    • 著者名/発表者名
      Kiyohiko Igarashi
    • 学会等名
      5th Symposium of Biotechnology Applied to Lignocelluloses (Lignobiotech) 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Enzymes degrading cellulose: from molecular mechanisms to traffic simulator2018

    • 著者名/発表者名
      Kiyohiko Igarashi
    • 学会等名
      American Chemical Society's Cellulose and Renewable Materials Division, 255th ACS National Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 中性子結晶構造解析による立体反転型セルラーゼ反応メカニズムの解明2018

    • 著者名/発表者名
      五十嵐圭日子
    • 学会等名
      平成30年度J-PARC MLF産業利用報告会
    • 国際学会
  • [学会発表] Overview of Bioeconomy2018

    • 著者名/発表者名
      Kiyohiko Igarashi
    • 学会等名
      Innovation for Cool Earth Forum (ICEF) 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 化学者がスルーできないバイオエコノミー:次世代の物質変換を取り巻く新しい価値観2018

    • 著者名/発表者名
      五十嵐圭日子
    • 学会等名
      第8回CSJ化学フェスタ2018
    • 国際学会
  • [備考] 希少なオリゴ糖“β-1,2-グルコオリゴ糖”を細菌が捕まえるしくみを解明

    • URL

      https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/2018/20180510-1.html

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公開日: 2021-01-27  

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