Production / Research

PDCの生産/研究

01

「環テックス BBS」は、リグニン系植物資源からバイオプロセスで生産した日本発の新しい機能性「バイオプラスチック基幹物資 PDC」を生産し社会実装を目指しています

石油など化石資源に依存した産業システムから、再生可能なバイオマス資源を基盤とする循環型産業システムへの移行が２１世紀の重要課題となっています。その実現には、現在の石油化学が生産している様々な機能を備えた製品を、石油に代わって再生可能な植物資源から生産する高度なバイオマス利用技術の開発がその鍵を握っています。

「環テックスBBS」は、研究者らと協力し、その化学構造の複雑さから、これまでほとんど有効利用されてこなかった植物資源であるリグニンを、土壌微生物（Sphingobium sp.SYK-6）の機能を用いて特定の中間物質 PDC に高收率変換する大量生産技術を確立することに成功し、リグニン系未利用植物資源から石油化学物質を代替えする新規機能性バイオプラスチック基幹物質 PDC の大量生産と安定供給を目指しています。

「環テックスBBS」は、こうした取り組みを通して、高機能性材料を設計生産する新しいリグニン利用技術の開拓を支え、現在の石油化学が生産している様々な機能を備えた製品を、石油に代わってバイオマス資源から生産する高度なバイオマス利用技術の開発に貢献したいと考えています。

「環テックスBBS」がリグニン系植物資源から生産供給する
新規機能性ハイオプラスチック基幹物質PDCの特徴

02

植物バイオマス資源の構成と利用を阻んできたリグニンの複雑な化学構造

植物バイオマス、特にその非可食部の構成を見ると、その 90%以上が細胞壁成分で占められ、そのおよそ 40%−50% がセルロース、20% がヘミセルロース、リグニンが 20-30% 、それ以外の抽出成分などで構成されています。細胞壁の主要成分のうち、セルロースやヘミセルロースなどの多糖成分は幅広い利用技術を蓄積し,今日では医薬品、燃料エタノール生産やポリ乳酸、コハク酸などへの変換技術が発展し実用化されています。一方、リグニンは大量に生産されているにも係わらず、その化学構造の複雑さや取り扱い難さに阻まれ、今日までその利活用技術は極めて限られてきました。大量に排出される紙パルプ工場では主に重油の代替え燃料として利用されているものの、化学構造の複雑さや取り扱い難さによって、私たちの科学技術では手に負えない厄介な物質と見なされてきました。
しかし微生物は、複雑な化学構造を持つリグニンであっても分解利用して地球の炭素循環を支えています。この微生物のシステムは現在の科学技術では及ばないものです。この微生物のシステムに学ぶ新しいリグニン利用技術が求められていました。

03

微生物のリグニン分解システムに学ぶ。

3.1 植物細胞壁に存在する高分子リグニンの分解から始まるプロセス

3.2 木材腐朽菌（きのこ類）の高分子リグニンの分解機構

木材腐朽菌（きのこ類）の高分子リグニンの分解機構はラジカル分解であり、特異性は低く通常の化学反応で代替え可能と考えられます。

木材腐朽菌（きのこ類）は、細胞壁中の高分子リグニンを砕いて細胞壁中のセルロース繊維などの表面から除去し、露出したセルロースやヘミセルロース成分を分解して成長していると考えられています。木材腐朽菌（きのこ類）は断片化したリグニン低分子に対するその後の分解代謝能力は高くありません。

04

多様な低分子リグニンを完全分解する微生物
Sphingobium sp SYK-6 の発見と代謝機構の研究

単離された Sphingobium sp.SYK-6 分解に関するこれまでの基礎的研究が明らかにした事は、

• Sphingobium. sp SYK-6 が、リグニンを構成する５種類の基本構造を分解代謝する機能を集積している事
• その代謝過程は、多様な構造を有するリグニン低分子を一旦中間物質2-ピロン-4,6-ジカルボン酸(PDC)に変換し、その後幾つかの代謝物を経て TCA 経路に導き、そこから細胞増殖に必要なタンパク質、核酸, 生体膜脂質など全ての生体成分の炭素骨格を作り出している事です。

この微生物細胞は、いわば微小なリグニン変換化学プラントで、そのリグニン変換プロセスは２０世紀の発展を支えた石油化学の基本原理と共通しています。

石油化学は、地中深くから採掘され多様な成分の混合物である原油を、触媒分解と分溜（精溜）によって一旦エチレンやキシレンなどの中間物質として精製します。それら中間物質の物理化学的特性に基づき様々な機能を有する繊維やプラスチックスを柔軟に設計生産しています。

Sphingobium. sp SYK-6 の機能を利用できれば、多様な構造の混合物であるリグニン（低分子化物）を中間物質であるPDC や、その後の代謝経路（二酸化炭素と水に至る）の幾つかの中間物質に一旦変換する事ができる事、それらの中間物質が優れた物理化学特性を備えていれば、精緻な物理化学特性が求められる様々な機能性材料を柔軟に設計生産する新しいリグニン利用技術が実現可能であるということです。

なお、微生物 Sphingobium sp.SYK-6 に関するこれらの研究は、東京農工大学に所属していた片山義博博士（東京農工大学名誉教授、現在環テックス所属）と、長岡技術科学大学政井英司教授の研究グループを中心とした共同研究として実施されたものです。

05

微生物 Sphingobium. sp SYK-6 に学んだ
多様なリグニンからの PDC 生産システムの構築

高分子リグニンはそのままでは PDC 生産に利用できません。
生態系においてキノコなどの木材腐朽菌が果たしてるラジカル分解を、化学的方法（アルカリ分解）で代替えした低分子化処理で、あらゆる植物リグニンから PDC への変換可能な低分子混合物として得ることに成功し、そのリグニン低分子混合物から１リッターあたり１００g 近い PDC 生産を短時間で行うことができる培養制御技術を確立することに成功しました。

これらの成果は、先の共同研究グループに森林総合研究所の研究グループ（中村雅哉博士、大塚祐一郎博士ら）が新たに参加した３グループの共同研究として成し遂げられたものです。

環テックス BBS は、これらの技術を基礎に、あらゆる種類の植物リグニンから、安定した PDC の大量生産体制の構築に取り組んでいます。

バイオリアクターによるリグニン低分子混合物からのPDCの高収率生産

06

低分子リグニンの完全分解微生物 Sphingobium sp SYK-6 に関する
これまでの研究論文

Sphingobium sp SYK6の代謝経路解析と酵素遺伝子に関する
これまでに発表された研究論文

分類法の変更により微生物の属名などが途中で変わっている

• Y. Higuchi, S. Aoki, H. Takenami,, N.Kamimura, K.Takahashi, S.Hishiyama, CS. Lancefield, OS.Ojo, Y. katayama NJ.Westwood, E.Masai. “Bacterial catabolism of β-hydroxypropiovanillone and β-hydroxypropiosyringone produced in the reductive cleavage of arylglycerol-β-aryl ether in lignin.” Applied and Environmental Microbiology. April 2018 Volume 84 doi:1 0.1128/AEM.02670-17
• N. Kamimura, ,T. Goto, K.Takahashi, D.Kasai, Y.Otsuka, M.Nakamura, Y.Katayama, M.Fukuda, E.Masai, “A bacterial aromatic aldehyde dehydrogenase critical for the efficient catabolism of syringaldehyde” Sci. Rep. Published: 15 March 2017. doi: 10.1038/srep44422
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• Y.Okamura-Abe, T.Abe, K.Nishimura, Y.Kawata, K.Sato-Izawa, Y.Otsuka, M.Nakamura, S.Kajita,E.Masai, T.Sonoki, Y.Katayama, “Beta-ketoadipic acid and muconolactone production from a lignin-related aromatic compound through the protocatechuate 3,4-metabolic pathway, Journal of Bioscience and Bioengineering” Journal of Bioscience and Bioengineering, 121, 652-658 (2015)
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