研究内容

研究内容

具体的には微生物の様々な機能を産業や私たちの暮らしに適用する「応用微生物学」という領域で研究を進めています。「応用微生物学」では安い、手に入りやすい簡単な化合物からより付加価値の高い物質へと変換する、言わば「生物を使ったものづくり」に関する研究が多く行われています。様々な炭素化合物を微生物変換する上で、もっとも無尽蔵に存在し、もっとも魅力的で、またもっとも利用が難しい原料は二酸化炭素(CO2)です。この研究室では、このCO2を物質生産の原料とすることを最終目標とし、微生物によるCO2の新しい代謝について研究を進めています。

数年前に、備蓄原油から炭素源を全く含まない条件で良好に生育する超低栄養性細菌Rhodococcus erythropolis N9T-4株を単離しました。本菌はこれまでにない低エネルギー型CO2固定系を有している可能性があり、その産業応用も視野に入れ、様々な角度から研究を進めています。

研究テーマ

低栄養性細菌の自然界からの単離とその役割

自然界からの微生物の単離については現在、低栄養性細菌(オリゴトローフ、Oligotroph)をターゲットとして研究を進めています。低栄養性とは極端に炭素源濃度が低い条件(<1 mg/L)で生育できる性質と定義しており、これらの微生物は産業上でも有用であると考えています。例えば、微生物による物質生産(bioconversion)においては、微生物細胞を低コストの触媒として使用することができます。また、微生物を用いた環境浄化(bioremediation)においては、汚染された環境で生育するために必要な栄養源を最少限に抑えることができます。

現在、様々な自然環境から低栄養性細菌を単離し、その有用性を評価すると共に、自然界での役割についても考察したいと考えています。


超低栄養性細菌Rhodococcus erythropolis N9T-4株の新規CO2固定経路の解明

Rhodococcus erythropolis N9T-4株は鹿児島県志布志備蓄基地の原油から単離した細菌で、極端な低栄養性を示します。炭素源を含まない無機塩固体培地で良好に生育しますが、CO2を制限すると生育しません。しかしながら、炭酸水素ナトリウムなどの炭酸塩を培地中に添加するとCO2制限下でも生育を示すため、炭酸固定を行いながら独立栄養的に生育している可能性があります。また、既存の独立栄養細菌に必要な光・金属などのエネルギーを加えなくても生育することから、本菌は効率的なCO2固定経路を有していると考えられます。現在、ポストゲノム解析技術(メタボローム/プロテオーム/トランスクリプトーム)を駆使し、本菌のCO2固定経路について解析しています。


超低栄養性細菌によるバイオ燃料生産プロセスの構築

元々、低栄養性細菌を探そうと思った理由は、それだけ低栄養で生育するので低エネルギー型のバイオプロセス(有用物質の生物生産)が構築できないかと考えたからです。工学部に来たこともあり、私たちが単離した超低栄養性細菌を何か有用なことに使えないか、本気になって考えています。

~バイオマスの利用~

現在、地球温暖化やエネルギー問題を解決する1つの方法論として、バイオマスの有効利用に関する研究が至るところで行われています。植物バイオマスは植物が現大気中のCO2を固定して生産されたものですから、それを燃やしても実質的なCO2の量は変わりません(これをカーボンニュートラルと言います)。石油を燃やすとCO2が現在に出てくることになります。バイオマスを化学触媒や微生物の力によって燃料に変えてできたバイオ燃料は石油代替エネルギーとして注目を浴びていることは事実です。例えば、バイオエタノールはサトウキビなどの植物バイオマスを酵母がエタノール発酵することによって生産されます。しかしながら、食糧資源との競合、農地の拡大など様々な問題が生じています。そして何よりも、資源の乏しい私たちの国にとって、バイオ燃料の生産に見合うだけのバイオマスを調達するには輸入コストなどにより、国内でバイオエタノールを生産することは極めて困難だと言われています。
ですから、私たちの国にとっては「バイオマス資源の有効利用」ではなく、「効率的なバイオマスの生産」あるいは「CO2そのものの有効利用」を研究課題とすべきだと思っています。

~生物学的立場から何かできないか?~

CO2の有効利用、バイオマスの効率的な利用については、触媒などの化学的、物理的な立場から研究している方は多くおられます。それぞれ素晴らしい発想からの研究で、それらを否定する気はありませんし、する必要もありません。私は生物学が専門ですから、生物学的な立場から問題を解決できないか、考えて行きたいと思います。
最近の研究で、N9T-4株は炭素源のみならず、窒素源・硫黄源を培地中から取り除いても生育することが分かりました。すなわち、この菌は生物にとって必要な三大元素である炭素・窒素・硫黄を全て大気中から利用することができる「空気資化菌」とも言えます。ですから、実質的な培養コストはゼロなのです。このような低コスト・低エネルギー生育を示すN9T-4株をバイオ燃料やバイオ素材の生産に応用できないか、現在研究を進めているところです。
植物バイオマスを使うバイオテクノロジーのことを「グリーンバイオ」とよく呼びますが、微生物のみの有用物質生産のことは「ホワイトバイオ」と言います。ホワイトバイオによるCO2の有効利用を大きな目標にしたいと思います。


超低栄養性細菌に見いだした新規細菌オルガネラ、オリゴボディーの構造と機能

Rhodococcus erythropolis N9T-4株の細胞内構造を電子顕微鏡で観察すると、また面白そうなものを発見しました。炭素源のない低栄養培地で生育させた菌体には比較的大きく、綺麗な球形をした構造体が形成されていることが分かりました。この構造体は低栄養条件で生育させると、ほとんどの細胞に1つだけ形成されていますが、栄養の高い条件で培養すると見られないか、非常に小さいものとなっていました。細菌でこのようなはっきりとした構造体は珍しいので、「オリゴボディー」と名付け、低栄養生育との関連性などを調べています。現在までのところ、このオリゴボディーには無機ポリリン酸が蓄積している可能性があります。無機ポリリン酸はリン酸が直鎖上に結合したポリマーで細胞内での様々な機能が予想されていますが、N9T-4株における機能は不明です。何のためにあるのでしょうか?


新規な反応を触媒する微生物の自然界からの単離

私は出来るだけ全ての研究テーマを企業との共同研究の形で行うようにしています。その始まりは私からこういう面白い微生物がいるというアイディアの提示(シーズ)であったり、企業からこういう微生物(反応)を探してほしいという要望(ニーズ)であったりします。

現在も、まだ詳しくは言えませんが、新しい微生物反応を追い求めて自然界からの微生物探し(スクリーニング)を再開しました。


アマドリ化合物分解酵素の糖尿病臨床診断への応用

血液中のタンパク質が非酵素的な糖の付加(糖化)を受けた糖化タンパク質は、糖尿病の臨床診断マーカーとなります。現在、糖化タンパク質の一つである糖化ヘモグロビン(HbA1c)は、健康診断の一項目になっていますが、糖化タンパク質の測定にはHPLCなど高価な機器が必要であり、より安価で簡便な測定法が望まれています。私たちは自然界の微生物をスクリーニングし、この糖化タンパク質の測定に応用できるフルクトシルアミノ酸オキシダーゼ(FAOD)という新しい酵素を生産する糸状菌を見出しました。これまでに、本酵素を用いて糖化タンパク質を特異的かつ効率的に測定できる系を構築しました。

一方、FAODは細菌、酵母にはほとんど存在しませんが、Aspergillus属、Penicillium属、Fusarium属などの糸状菌に広く分布していることを明らかにしました。全ゲノム配列が決定された麹菌(Aspergillus oryzae)にも、基質特異性の異なる2つのFAODアイソザイム(AoFao1, AoFao2)が存在するため、本酵素の生理学的意義に関する研究を始めました。その結果、糖化アミノ酸が麹菌の硝酸代謝を抑制すること、および糸状菌内で糖化アミノ酸が生成することなどを見出しました。これらは糖化タンパク質あるいは糖化アミノ酸が細胞内外に存在し、自然界の窒素サイクルに重要な役割を果していることを示唆しています。このように、新しい酵素であるFAODについて、基礎・応用の両面から研究を進めています。


プロ生ちゃん(暮井 慧)の画像はプログラミング生放送より許可をいただいて掲載しています。