2016 Fiscal Year Research-status Report
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16K14890
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
園元 謙二 九州大学, 農学研究院, 教授 (10154717)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 幸博 東北大学, 農学研究科, 准教授 (70280576)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | デザインドバイオマス / バイオブタノール / スマート発酵工学 / 混合糖 / カタボライト抑制 / 育種イネ / セルラーゼ / 糖化性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1-4を用いて、１．混合糖を用いたカタボライト抑制（CCR）がかからない高効率ブタノール発酵、２．発酵プロセス適応型イネの育種、について検討した。
１．グルコースとキシロースから成る混合糖（GX混合糖）を用いた場合、CCRが生じる。そこで、グルコースの代わりに二糖であるセロビオースとキシロースから成る混合糖（CX混合糖）を用いた回分培養を検討した。その結果、セロビオースとキシロースが同時に消費されると共に、効率よくブタノールが生産され、CCRの回避に成功した。また、混合糖中のキシロース濃度の増加（10-30 g L-1）に伴ってブタノール収率が増加（0.38-0.40 C-mol/C-mol）することを明らかにした。さらに、CX混合糖を培養中に添加する流加培養にも成功した。一方、連続発酵でCCRが起こると、ブタノール生産性が低下するだけでなく、消費されない糖の廃棄率が高くなる。そこで、CX混合糖を用いてcell recyclingによる高密度菌体の連続発酵系の構築を検討した。その結果、約0.7 h-1の高希釈率でも混合糖の高い利用率とブタノール高生産性を達成した。
２．老化誘導プロモーターによりβ-glucosidase、cellobiohydrolase、endo-glucanaseをそれぞれ発現するイネを作製し、稲ワラの酵素糖化性を調べた。その結果、老化前（出穂期）には糖化性の向上は見られなかったが、老化後（収穫期）には、cellobiohydrolaseおよびendo-glucanaseを導入したイネで糖化性の向上が見られた。ただし、作製できた形質転換体の系統数が少ないため、系統数を増やし、導入した遺伝子の効果であることを明確にする必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画書の作成段階で、予想される問題点を明確にしていたことと、数値目標を定め多方面からの検討を柔軟に行ったことが順調に進展する結果となった。また、研究代表者と分担者が互いの専門領域で柔軟に対処したことも大きな要因と言える。しかし、本研究は3つの研究項目、①混合糖を用いたカタボライト抑制（CCR）がかからない高効率ブタノール発酵、②CCR 機構の解明および高収率・非CCR 菌株の育種、③発酵プロセス適応型イネの育種、に絞り、専門分野が異なる研究者が連携して並行複式型研究（分野をまたぐフィードフォワードとフィードバック）を行っているため、各研究項目ですれが生じている部分がある。その点を次年度の研究計画に反映したい（次項の「12．今後の研究の推進方策」を参照してほしい）。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は研究項目「①混合糖を用いたカタボライト抑制（CCR）がかからない高効率ブタノール発酵」において、研究が次年度計画分まで当初計画以上に進展した半面、研究項目「②CCR 機構の解明および高収率・非CCR 菌株の育種」についてはやや遅れている。よって、これらを考慮して、次年度の研究計画を下記のように行う予定である。
②分子レベルおよび酵素レベルにおけるCCR 機構の解明および高収率・非CCR 菌株の育種（分子微生物学）：
②-1. 混合糖（グルコースとキシロース）および単糖（キシロース）を用いてそれぞれCCR および非CCR 条件下におけるキシロース取り込み速度の測定、キシロース輸送因子（キシロースオペロン制御因子遺伝子（CAC1339）やキシローストランスポーター遺伝子）の転写活性測定を行う。
②-2. ②-1.と同様に、CCR および非CCR 条件下におけるキシロース代謝酵素（Xylose isomerase, Xylulose kinase, Transketolase, Transaldolase）の転写活性測定および酵素活性測定を行う。
③糖化酵素過剰発現イネの育種・糖化効率の検討および発酵プロセス適応型イネの育種（植物育種学）： ③-3. 発酵工学分野で得られた結果をフィードバックし、最も発酵効率の高いセルロース/ヘミセルロース組成のイネを育種し、稲ワラの糖化効率を評価する。さらに、育種した稲ワラを発酵工学分野へフィードフォワードするとともに、発酵工学分野で得られた結果をフィードバックする。
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