研究トピックス

▶ バイオ界面活性剤の製造と利用技術の開発

　バイオ界面活性剤（BS）は、植物油脂や糖類などのバイオマス資源を原料として微生物を培養することで得られる両親媒性脂質です。環境適合型の界面活性剤としてだけでなく、ユニークな自己組織化特性や生理活性をもつ機能性バイオ材料として注目されています。現在、ソホロリピッドやラムノリピッドといった糖脂質型BSの実用化が世界的に進められています。当グループでは、マンノシルエリスリトールリピッド（MEL）を中心に糖脂質型BSの研究を20年以上前から継続して行ってきました。東洋紡株式会社との連携で、MELが高い保湿機能を持つことが分かり、現在、化粧品への応用が広がっています。

東洋紡株式会社HP

　MEL製造技術に関して、MEL生産酵母スクリーニング技術の開発、ゲノム解析、遺伝子組換え技術による育種・改良、培養・発酵技術の開発、などを中心に研究成果を蓄積し、その製造技術を技術移転するとともに、企業連携で機能性バイオ材料の社会実装を達成することが出来ました。
　応用微生物学の研究者として興味深いのは、なぜMEL生産酵母は大量のMELを生産できるのか？という点ですが、これについても最近の研究である程度分かってきました。環境中からMEL生産酵母をスクリーニングした結果、全て葉の表面に棲んでいることが分かり、疎水性の強い葉の表面に付着するための界面活性物質として分泌（菌体外に生産します）しているようなのです。もちろん、葉面で生活するためには、さらに付着するためのメカニズムが必要ですが、この点も、葉面のクチクラ層を分解する酵素を分泌していることが分かっています。一方、植物病原菌のように葉を枯らすことはないようで、実際、類縁菌がもつ病原性に関与する遺伝子群はゲノム中に保存されていません。そして大量に生産できる理由としては、遺伝子発現を抑制する因子が今のところ見つかっておらず、発酵培養条件を整えれば、投入した原料を効率よくMELに変換できるためと考えています。
　その他、MELの構造解析で苦労しながらもかなりの経験を蓄積し、様々な同族体の構造的特徴を明らかにすることが出来ました。生産に使用する酵母の種類や培養条件を変えることで、脂肪酸やアセチル基、さらに糖骨格を改変することが出来るのですが、それら全ての結果は、細かな部分を解析する技術を蓄積してきた成果といえます。さらに構造-機能相関の観点からも研究を進めることが可能になり、界面活性剤としての比較、さらに保湿剤としての応用へと研究が加速していくこととなりました。応用微生物学、高分子化学、界面化学の異分野融合でなしえた研究成果ですが、企業の皆様の努力なしで「技術を社会へ」を実現することは不可能であること、また知財・事業戦略を考慮した研究計画と組織的な体制作りが重要であり、チームとしての円滑なコミュニケーションと高いモチベーションが何より大切であることを経験することができました。
　現在も、製造および利用技術の更なる高度化を目指して、特に遺伝子・代謝解析を中心にMEL生産酵母の改良を進めており、化粧品以外の事業展開を見据えて研究を進めています。

▶ バイオプラスチックの開発

　プラスチックは、軽量で加工・成形性に優れるため、様々な製品に使用されるとても便利な化学品です。多くのプラスチックは石油から製造されていますが、近年の環境問題に対する世界的な意識の高まりから、プラスチックにおいても原料転換（石油からバイオマスへ）が重要な課題の一つとなっています。また、海底や海洋生物の体内からプラスチックごみが発見されたり、マイクロプラスチックが世界中の海で発見されたりするなど、海洋プラスチック問題がクローズアップされる中で、いかにしてプラスチックごみを環境中に残さないようにするかということが世界的な課題となっています。そこで注目されているのが、バイオマスを原料とするバイオプラスチックです。バイオプラスチックは、カーボンニュートラルなバイオベース材料として世界中で研究が進められています。バイオプラスチックの歴史や国内の取り組み等については、日本バイオプラスチック協会等のHPに詳しく記載されています（日本バイオプラスチック協会HP; http://www.jbpaweb.net/index.htm）。
　当グループでは、バイオプラスチックの中でも環境中での生分解性に優れた微生物ポリエステル（ポリヒドロキシアルカン酸、PHA）に注目しています。PHAは、微生物が細胞内に蓄積するポリエステルで、微生物の種類や原料を変えることで構造の異なるPHAを生産できます。当グループでは、高度好塩性の古細菌であるHaloferax mediterraneiという微生物が糖から生産するPHAを詳細に調べたところ、よく知られるPHA生産菌が作るPHAと比べて数倍～数十倍の分子量を有する超高分子量体を生産することを突き止めました。さらに、その構造は加工性に優れた共重合体（3-ヒドロキシ酪酸と3-ヒドロキシ吉草酸の共重合体、PHBV）であり、超高分子量PHBVは従来のPHBVよりも高強度なフィルム素材に加工することが可能です。このように、優れた性能を発揮するバイオプラスチックの発見は、その用途拡大に貢献するものと期待しています。現在、世界中で先行するPHAの研究を参考にしながら、遺伝子組換え技術なども駆使して超高分子量PHBVの量産化に向けて研究を進めています。

▶ バイオベース高分子複合材料の開発

　現在、持続可能な社会を目指して世界的な取り組みが進められており、その一つとして動植物に由来する再生可能なバイオマス資源の利用が注目されています。中でも地球上で最も量の多いバイオマス資源である木質資源（木材）の有効利用は、持続可能な社会の実現に大きく貢献する分野として盛んに研究が進められています木材は主に三種類の成分（セルロース、ヘミセルロース、リグニン）から構成されています。木材の約三分の一を占めるリグニンは、木材を原料とする製紙用パルプ生産などの工業プロセスで生じる副産物であり、世界中で大量かつ安価に入手可能な化合物です。リグニンの化学構造に着目すると、剛直な化学構造（芳香環と架橋構造）を有しており、巨大な樹木を支える強固な構造を生み出す上で重要な役割を果たす化合物です。この硬くて安いリグニンは高強度材料の原料としての利活用が期待されていますが、『脆い』材料であるため様々な形に成形することが困難であり、

現在は硬い化学構造を生かすことなく、主に燃料として焼却利用されています。
　当グループでは、木質資源の有効利用を目指し、脆くて成形が難しいリグニンを原料とした成形可能な材料の開発に取り組んでいます。工業プロセスで副生するリグニンにはいくつかの種類が有りますが、中でもリグニンスルホン酸は「水によく溶ける」「負の電荷（陰イオン）構造を持つ」などの特徴をもつリグニン化合物です。我々はリグニンスルホン酸が「負電荷（陰イオン）構造を持つ」という点に着目し、リグニンスルホン酸とは逆の正電荷（陽イオン）構造を持つ化合物と複合化することで成形性と柔軟性を持つリグニンスルホン酸由来の材料（イオン複合体）を開発することに成功しました。
　この複合体はリグニンスルホン酸と陽イオン構造を持つ化合物の水溶液を混合・乾燥するだけの安全かつ簡便な手法で調製が可能であり、各成分の混合比や原料を変更することで硬い材料から柔らかい材料まで調製することが出来ます。加えて、本イオン複合体は、負電荷と正電荷が結合したイオン結合によって架橋された材料であるため、架橋構造に由来するゴム様の弾性や、イオン結合が可逆的に結合・解離できることに由来する粘り強さ（高タフネス）、切断しても材料を接触させると強度が回復する自己修復能など特有の機能を示します。現在、このイオン複合体が持つ特有の機能を生かした利用技術の開発を進めています。

▶ 酵母の産業利用

　酵母は酒造りやパン作りなどの食品産業に応用されてきた最も人と関わりの深い微生物であり、特に、真核細胞のモデル生物としても重要な出芽酵母Saccharomuces cerevisiaeを中心に研究が進められてきました。一方、The Yeast, A Taxonomic Study（第五版）によると現在1500種類以上の酵母が存在しており、まだまだ産業利用に有益な能力を持つ酵母が眠っていると期待されます。

新産業酵母研究会HP

（新産業酵母研究会では酵母の産業利用をテーマに講演会を行っています。）

　当グループで研究してきたMEL生産酵母は、クロホ菌科のPseudozyma属に分類される酵母です（担子菌系酵母）。現在は再分類されており、例えば、Psuedozyma antarctica は Moesziomyces antarcticus が正式名称になっていますが、以前は Candida antarctica と呼ばれていました。一方、Pseudozyma tsukubaensis のように変わっていないものもあります。各菌の研究が進んでより細かな分類が可能になるためですが、Pseudozyma属も含めて、周りの環境で細胞形態が変わってしまうような真菌に関しては厳密な分類が難しいように思います。このように名称が変わるのはともかくとして、研究事例が少ない酵母にも産業利用に有益な能力をもつものがいるはずであり、Pseudozyma属酵母によるMELの生産は、こういったマイナー酵母（non-conventioanal yeast ?）のポテンシャルを示したものといえます。その他にも様々な酵母が産業利用を目指して研究されていますので、新産業酵母研究会HPで講演会一覧などを参照してみて下さい。