研究室

微生物代謝工学研究室

樹木の細胞壁成分の約15~30%を占めるリグニンは、地球上で最も多量に存在する芳香族資源ですが 、構造が非常に複雑で分解され難く、有効な利用法が開発されていません。当研究室では、リグニン中に存在するさまざまな種類の分子間結合をもつ二量体芳香族化合物を分解できるバクテリア Sphingobium sp. SYK-6 株のリグニン代謝系を明らかにすることによって、これら代謝系を利用してリグニンを有用物質に変換するバイオプロセスを構築し、さらにはバイオエタノール生産やリグニンの利用に好適な構造に改変したリグニンを持つ植物を創出することを目指しています。

スタッフ

政井 英司 教授 政井 英司
上村 直史 助教 上村 直史

研究プロジェクト

バクテリアのリグニン由来芳香族化合物代謝系
リグニンは、p-ヒドロキシ桂皮アルコール類が脱水素重合して生成する無定形な芳香族高分子です。自然界においてリグニンは、担子菌等が分泌するフェノールオキシダーゼによって低分子化され、その後、バクテリアによって無機化されると考えられています。当研究室では、多様な分子間結合からなるリグニン二量体を特異性の高い酵素群によって分解する Sphingobium sp. SYK-6 株の代謝系を解析しています。これまでにリグニン中で最も多量に存在する分子間結合であるβ-アリールエーテルおよび難分解性のビフェニル等のリグニン二量体および主要なリグニン代謝中間体であるバニリン酸、シリンガ酸、フェルラ酸等の代謝酵素遺伝子を明らかにしてきました。現在、SYK-6 株のゲノム情報を利用して、すべてのリグニン代謝系遺伝子の同定と機能の解明を進めています。
リグニン代謝系遺伝子の発現制御機構
SYK-6 株によってリグニン二量体は、バニリン酸またはシリンガ酸を経由して代謝され、これらは、それぞれプロトカテク酸4,5(PCA45)-開裂経路と3-O-メチルガリック酸経路で代謝されます。リグニン代謝系遺伝子群はゲノム上に分散して存在し、多くの遺伝子の発現は主に転写レベルで制御されています。これまでに PCA45-開裂系遺伝子群が、LysR 型転写制御因子の LigR によって PCA またはガリック酸の存在下に正に制御されることを明らかにし、LigR の DNA 結合様式等を示しました。現在、DNA マイクロアレイによる網羅的な転写解析と個々の転写制御システムの解析を行っています。
バクテリアの機能を利用したリグニン代謝工学
リグニン代謝下流を担う PCA45-開裂経路で生成する2-ピロン-4,6-ジカルボン酸(PDC)を原料に用いて、PET の約2倍のヤング率を示すポリエステルフィルムや強力な接着剤等が共同研究者によって合成されています。この様な高機能性有機材料の原料となる PDC をリグニンから低コストで生産するために、リグニンの分解処理で得られる低分子リグニンから高効率で PDC を生産する組換え細菌の開発を行っています。またバイオエタノール生産の低コスト化とリグニンのマテリアル利用を目的として、植物のリグニン生合成をバクテリアのリグニン代謝系遺伝子を用いて制御する研究を他機関と共同で進めています。
有用物質生産のための微生物機能の発掘と利用
これまでに PET の原料であるテレフタル酸やその異性体であるフタル酸、イソフタル酸を唯一の炭素源として生育できる Comamonas sp. E6 株のテレフタル酸とイソフタル酸の代謝酵素および細胞内への取り込みに関与する新規遺伝子群と転写制御系を明らかにしてきました。現在、これらの機能を利用した PDC 等の有用物質生産系の開発を行っています。
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図1:リグニン由来のさまざまな芳香族化合物を炭素源として生育する Sphingobium sp. SYK-6 株の電子顕微鏡写真
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図2:研究アプローチ

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