大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年03月22日

2022年3月22日
株式会社ホンダ・リサーチ・インスティチュート・ジャパン
公益財団法人かずさDNA研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター

【研究成果のポイント】
・“第2世代”バイオ素材生産技術の肝となるセルロース分解酵素において最高の耐熱性を有する
・今後、食料と競合する“第1世代”とは異なるバイオ燃料の生産効率化に期待

【研究の背景】
　持続可能な脱炭素社会の実現において、化石燃料に依存しない再生可能なエネルギーや原材料への転換が急務となっています。例えばバイオプラスチックは、現在の主流である「第1世代」の生産方法では、サトウキビの糖分やトウモロコシのデンプンを原料にして作っており、食料との競合が指摘されています。この課題を解決するため、非可食の植物系バイオマスの主成分で難分解性のセルロースを利用する「第2世代」の方法が研究されています。
　第2世代の方法では、セルロース分解酵素を複数混ぜた「酵素カクテル」を使って、高分子のセルロースを単糖であるグルコースに分解します（図1）。しかし、トウモロコシに含まれるデンプンとは異なり、セルロースは集合すると結晶性を有する特徴をもち、ヒトなどの多くの生物はそれら結晶を酵素で消化できません。このため、木材を腐らせる菌（腐朽菌）に由来するような複数の分解酵素の協同が必要です。そのなかでも、集合したセルロースに取り付いて分解させるセロビオヒドロラーゼと呼ばれる酵素の性質が鍵となります。工業生産では高温で酵素反応を行うことが好ましいとされますが、酵素はタンパク質由来の性質のため、高温になるほど構造が破綻し、働きも失われます。このため高温条件で働く熱に耐える酵素（耐熱性酵素）の探索や人工的な改良が進められています。

【研究内容と成果】
　そこで、今回新しい耐熱性セロビオヒドロラーゼを発見し、その働きを分析しました。
　期待する性質を持つ酵素を遺伝子のプールである自然環境から探索するため、宮城県鬼首温泉付近の河川の堆積物を採取しました（図2）。それに含まれる遺伝子をすべて次世代シーケンサーで読み取り、所望の酵素に類似した核酸配列を探索すると、多数の候補が見つかりました。これらすべてを大腸菌のタンパク質発現系を用いて調製を試みたところ、2種類の酵素たんぱく質を得ることができました。
　これを調べたところ、これまでに発見されていた酵素には見られない、水が沸騰する温度に近い95℃の高温で働く性質があるものを１つ見出しました。この性質はセルロースの分解には有利な条件です。さらに立体構造を大型放射光施設SPring-8 BL38B1にて調べた結果（図3）、この酵素は高温でも構造を維持するために、塩橋と呼ばれるアミノ酸側鎖の正負の電荷による相互作用や、土壌にも存在するカルシウムやマグネシウムのイオンの結合を多く有すること、セルロースへの結合や熱安定性の維持に有用なトリプトファン残基の存在も明らかになりました。

【今後の展開】
　今回の研究から、第2世代のバイオ素材を生産するのに有用な耐熱性酵素を見出すことができました。この分子の構造をもとに、耐熱性をもつ酵素を設計する指針になると考えられます。さらにこの情報を活用して、他の機能を持つ酵素を組み合わせて、より有効な酵素カクテルが作られ、効率的なセルロース糖化が実現されることが期待されます。

【用語解説】