プロトプラスト機能を高度利用した有用物質の実用的な高速度生産システムの構築

2005 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 15360435
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物機能・バイオプロセス
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 青柳 秀紀 筑波大学, 大学院・生命環境科学研究科, 助教授 (00251025)
• 研究分担者: 田中 秀夫 筑波大学, 大学院・生命環境科学研究科, 教授 (40015657)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• キーワード: 人工細胞壁 / 植物プロトプラスト / 微生物プロトプラスト / DNAマイクロアレー / 酵素生産 / 有用代謝産物 / バイオリアクター / 細胞壁成分

研究概要

細胞を用いる従来の有用物質生産法の問題点を排除した新規な生産システムの開発を目指し、細胞に代わる新たな有用物質生産の担い手として、微生物や植物の細胞壁を除去したプロトプラストの優れた機能に着目し、本研究を遂行した。プロトプラストは細胞とは異なる生物機能を活性化するが、その詳細は未解明である。酵母DNA microarrayを用いて酵母のプロトプラストと細胞の遺伝子の発現の違いを解析してゆく中で、酵母プロトプラストではタンパク質などの代謝産物の分泌経路が活性化され、培養液中に分泌生産される事を明確にした。無電荷で、物質移動能に優れた人工細胞壁を独自に作製し、酵母プロトプラストに装着して培養する、有用物質の高濃度、高速度分泌生産システムを開発した結果、Invertaseおよびα-glucosidaseを通常の細胞を用いたシステムに比べて数十倍の高濃度、高速度で分泌生産する事ができた。本システムは組換え酵母プロトプラストを用いた異種タンパクの分泌生産においても有効であった。
木本性のイチイのプロトプラスト等をモデルに、植物プロトプラストが新たな培養環境に接する時に示す適応反応や細胞壁を除去した場合の物質移動速度や移動物質の種類や変動などの特性を基礎的に把握した。イチイの培養細胞および植物体の葉から効率的に代謝活性が高いプロトプラストを単離する方法を開発した。高い抗酸化能および物質移動能を有する人工細胞壁を開発し、イチイプロトプラストに装着し、種々の機能性物質(Methyl jasmonateやアルギン酸加熱生成物など)を培養液中に添加して培養する事で、通常は細胞壁近傍に微量にしか存在しないPaclitaxelなどの有用代謝産物を高濃度で分泌生産する事ができた。本研究により、微生物および植物のプロトプラスト機能を高度利用した有用物質の実用的な高速度分泌生産システムを構築する事ができた。

研究成果

• [雑誌論文] DNAマイクロアレイを用いた酵母プロトプラストの包括的な遺伝子発現解析とインベルターゼおよびα-グルコシダーゼの効率的生産への応用 (2006)
  • 著者名/発表者名: 青柳秀紀, 田中秀夫ら
  • 雑誌名: 生物工学会誌 84 ページ: 69
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Preparation of the mixed alginate elicitors with high activity for the efficient production of 5'-phosphodiesterase by Catharanthus roseus cells. (2006)
  • 著者名/発表者名: H, Aoyagi, H, Tanaka et al.
  • 雑誌名: Biotechnology Letters (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Analysis of gene expression in yeast protoplasts using DNA microarray and their application for efficient production of invertase and α-glucosidase. (in Japanese) (2006)
  • 著者名/発表者名: Nobuaki Mera, Hideki Aoyagi, Satoshi Nakasono, Kazuhiro Iwasaki, Hiroshi Saiki, Hideo Tanaka
  • 雑誌名: Seibutsu Kogaku Kaishi 84 ページ: 69
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Preparation of the mixed alginate elicitors with high activity for the efficient production of 5'-phosphodiesterase by Catharanthus roseus cells. (2006)
  • 著者名/発表者名: Hideki Aoyagi, Chiharu Akimoto, Hideo Tanaka
  • 雑誌名: Biotechnology Letters (accepted)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Efficient paclitaxel production by using Taxus cultured protoplast. (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Aoyagi, H.Tanaka
  • 雑誌名: International symposium on biocatalysis and bioprocess engineering ページ: 104-105
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Efficient paclitaxel production by using Taxus cultured protoplast. (2005)
  • 著者名/発表者名: Hideki Aoyagi, Hideo Tanaka
  • 雑誌名: International symposium on biocatalysis and bioprocess engineering ページ: 104-105
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Analysis of gene expression in yeast protoplasts using DNA microarrays and their application for efficient production of invertase and α-glucosidase (2004)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi, H., Tanaka, H.et al.
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 97 ページ: 169-183
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Materials Production by the plant protoplasts (2004)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi, H., Tanaka, H
  • 雑誌名: International Symposium on Tropical Agriculture and Agro-biotechnology 80^<th> anniversary of national pingtung university of science and technology ページ: 193-198
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Analysis of gene expression in yeast protoplasts using DNA microarray and their application for efficient production of invertase and α-glucosidase. (2004)
  • 著者名/発表者名: Nobuaki Mera, Hideki Aoyagi, Satoshi Nakasono, Kazuhiro Iwasaki, Hiroshi Saiki, Hideo Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bloengineering (Excellent Paper Award, The society for biotechnology, Japan, 2005) 97 ページ: 169-183
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Materials Production by the plant protoplasts. (2004)
  • 著者名/発表者名: Hideki Aoyagi, Hideo Tanaka
  • 雑誌名: International Symposium on Tropical Agriculture and Agro-biotechnology. 80^<th> anniversary of national pingtung university of science and technology ページ: 193-198
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Antitumor agents : taxol and taxanes-production by yew cell culture. (2004)
  • 著者名/発表者名: Fett-Neto, A.G., Hideki Aoyagi, Hideo Tanaka H, Frank_DiCosmo
  • 雑誌名: Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine (R.A.Meyers (editor))(Wiley-VCH, Weinheim) Vol.1 ページ: 415-438
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Production of cell wall accumulative enzymes using immobilized protoplasts of Catharanthus roseus in agarose gel. (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Aoyagi, F.DiCosmo, H.Tanaka
  • 雑誌名: Biotechnology Letters 25 ページ: 1687-1693
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Production of cell wall accumulative enzymes using immobilized protoplasts of Catharanthus roseus in agarose gel. (2003)
  • 著者名/発表者名: Nobuaki Mera, Hideki Aoyagi, Frank DiCosmo, Hideo Tanaka
  • 雑誌名: Biotechnology Letters 25 ページ: 1687-1693
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine (2004)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi, H., Tanaka, H., DiCosmo, F.
  • 総ページ数: 415-438
  • 出版者: Antitumor agents : taxol and taxanes-production by yew cell culture.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より