糸状菌を用いた有用タンパク質同時生産制御

実施機関

長岡技術科学大学、花王(株)、(一財)バイオインダストリー協会、九州大学、(国研)産業技術総合研究所

研究開発のゴール

糸状菌が分泌する種々の植物バイオマス糖化酵素について、それぞれの生産比率をコントロールし、様々な組成の植物バイオマスの糖化に最適な酵素標品の生産菌株を構築する技術基盤を得る。

目的

　植物バイオマスは、地球上に大量に存在する持続可能なバイオマスである。植物の非可食部分である植物細胞壁を構成する多糖を加水分解（糖化）することで得られる糖は、バイオ燃料の原料となるだけでなく、微生物を用いた高付加価値品生産のための炭素源として用いることができる。微生物を用いたモノづくりを基盤としたバイオエコノミー社会創成のためにも、植物細胞壁の糖化技術は必須のものである。糸状菌は植物細胞壁多糖を効率的に糖化できる微生物由来の酵素「セルラーゼ」を生産することから、セルラーゼを用いた植物バイオマスの酵素的糖化を目的とした研究開発が進められている。日本においては、1980年代からセルラーゼ高生産性の糸状菌トリコデルマ・リーセイ（Trichoderma reesei）を用いた開発が進められてきた。当初は突然変異の誘発によって酵素生産能力の向上が図られ、最終的に取得されたPC-3-7株は現在でも工業用酵素生産株開発のベース株として用いられている。また、遺伝子組み換えによって糖化に重要な役割を果たす酵素をPC-3-7株で生産させることで、世界トップレベルの植物バイオマス糖化能力を持つ糖化酵素の生産株の開発に成功している。しかしながら、植物バイオマスの種類によってその細胞壁多糖の構成成分の組成が異なるため、植物バイオマスに合わせた最適な酵素成分で構成された糖化酵素「テーラーメード型糖化酵素」の作出が現在求められている（図１）。

　これまでの菌株開発は、過去の論文、研究室で得られた知見に基づいた開発であり、酵素生産量全体のコントロールは可能であるものの、特定の複数の酵素の生産量のみを制御することは困難であった。しかし、複数遺伝子を制御する因子の同定は研究者の経験や直感に頼ったこれまでのWet中心の研究手法では困難である。そこで、スマートセルプロジェクトではトリコデルマ・リーセイすべての遺伝子の発現データを大量に準備し、スマートセル設計システムのネットワークモデル構築技術を最大限に活用してどの遺伝子がどの遺伝子を制御しているのか、そのネットワークがどのような構造をとっているのかを明らかにするとともに、糖質加水分解酵素群の生産比率を制御する因子を同定することを目的としている。

結果・成果

　セルラーゼ生産条件下および非生産条件下における全遺伝子発現データを約200サンプル使用し、図２に示したDBTLサイクルに基づいて遺伝子発現ネットワークを設計し、ターゲット酵素の遺伝子発現に影響を与える可能性のある遺伝子を複数推定した。それら遺伝子の破壊株を構築することによってセルラーゼ生産性、酵素生産比率の解析を行った。その結果、特定のセルラーゼの生産をコントロールしている制御遺伝子を発見することができ、この制御遺伝子を活用することで特定の植物バイオマスに対する糖化能力を向上させることに成功した。構築した遺伝子制御ネットワークはプロトタイプであるが、現在得られている成果をフィードバックし、さらなる情報解析を進めて高精度化を進めている。しかし、現時点においてもトリコデルマ・リーセイの研究者にとって予想することがはるかに困難であった遺伝子が酵素成分の生産バランスに大きな影響を与えていたため、本研究をさらに進展させることで今後も新たな知見が得られることが期待される。

この研究で得られたデータ

プロジェクト（糸状菌を用いた有用タンパク質同時生産制御による有効性検証）
　－ NITE生物資源データプラットフォーム(DBRP) から提供（制限公開データを含みます）