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酵素の開発と応用技術

  • Technologies of Development and Application of Enzyme
(2006年『酵素開発・利用の最新技術』普及版)

商品コード: B0973

  • 監修: 今中忠行
  • 発行日: 2011年8月
  • 価格(税込): 4,968 円
  • 体裁: A5判,309ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0357-4

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  • 酵素,探索,改変,安定化,反応場,固定化,担体,有機溶媒,マイクロリアクター

刊行にあたって

 触媒とは,特定の化学反応(自発的に起こり得る反応)を促進する物質で,自身は反応の前後で変化しないものをいう。酵素は生体触媒である。細胞の中で数千に及ぶ酵素はそれぞれに特異的な反応を触媒し,秩序を保っている。一般的に無機触媒と比較して,(1)常温,常圧,中性付近のpHなど穏やかな条件下で反応を進め,(2)基質特異性を有し,(3)活性部位を持っており反応効率が高いことが特徴であろう。さらに近年になって,極限環境微生物由来の酵素は極限環境で機能する場合が多いことも明らかになってきた。例えば超好熱菌由来の酵素は好熱性であるように。 
 一方,酵素に関する研究の歴史を振り返ってみると,19世紀後半に酵素という概念が発表され20世紀に入って,反応速度論,タンパク酵素の確認,結晶化,1次構造(アミノ酸配列)決定,立体構造決定,触媒機構の理解,リボザイム(RNA酵素)の発見,タンパク質工学など重要な発見・研究が続き,現在に至っている。特殊酵素の探索,酵素の改変,酵素の安定化,反応促進,酵素の固定化などは,酵素の産業利用にとって重要なポイントであるし,それぞれに面白い工夫が加えられている。これらの最新技術を各分野の第一線の研究者が執筆してまとめたのが本書である。それぞれの興味あるアイデアを,読者自身の技術と組み合わせることにより,産業化に向けて大きく発展されることを期待している。
(「はじめに」より)

2006年12月  今中忠行(京都大学大学院 工学研究科 教授)


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2006年に『酵素開発・利用の最新技術』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年8月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

今中忠行   京都大学大学院 工学研究科 合成・生物化学専攻 教授
        (現)立命館大学 生命科学部 生物工学科 教授
尾崎克也   (現)花王(株) 生物科学研究所 第1研究室 室長
伊藤 進   (現)琉球大学 農学部 亜熱帯生物資源科学科 教授
北林雅夫   東洋紡績(株) 敦賀バイオ研究所 チームリーダー
        (現)東洋紡績(株) バイオケミカル事業部
西矢芳昭   東洋紡績(株) 敦賀バイオ研究所 グループリーダー
        (現)摂南大学 理工学部 生命科学科 教授
栗原達夫   (現)京都大学 化学研究所 准教授
江﨑信芳   京都大学 化学研究所 教授
伊藤伸哉   富山県立大学 工学部 生物工学科 教授
牧野祥嗣   富山県立大学 工学部 生物工学科 助手
秦田勇二   (独)海洋研究開発機構 極限環境生物圏研究センター 深海バイオ事業化推進計画 グループリーダー
        (現)(独)海洋研究開発機構 海洋・極限環境生物圏領域 海洋生物多様性研究プログラム 海洋有用物質の探索と生産システムの開発研究チーム チームリーダー
大田ゆかり  (独)海洋研究開発機構 極限環境生物圏研究センター 深海バイオ事業化推進計画 研究推進スタッフ
        (現)(独)海洋研究開発機構 海洋・極限環境生物圏領域 海洋生物多様性研究プログラム 海洋有用物質の探索と生産システムの開発研究チーム 主任研究員
日高祐子   (独)海洋研究開発機構 極限環境生物圏研究センター 深海バイオ事業化推進計画 研究員
能木裕一   (独)海洋研究開発機構 極限環境生物圏研究センター 微生物系統解析研究グループ グループリーダー
福崎英一郎  (現)大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 教授
宮崎健太郎  (現)(独)産業技術総合研究所 生物プロセス研究部門 酵素開発研究グループ 研究グループ長
中村 聡   東京工業大学 大学院生命理工学研究科 生物プロセス専攻 教授;バイオ研究基盤支援総合センター長(兼務)
春木 満   (現)日本大学 工学部 生命応用化学科 教授
金谷茂則   (現)大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 教授
麻生祐司   島根大学 教育学部 人間生活環境教育講座 講師
        (現)京都工芸繊維大学 大学院工芸科学研究科 バイオベースマテリアル学部門 准教授
永尾潤一   京都大学大学院 農学研究科 応用生命科学専攻 分子細胞科学講座 エネルギー変換細胞学分野 博士研究員
        (現)福岡歯科大学 機能生物化学講座 感染生物学分野 助教
中山二郎   (現)九州大学 大学院農学研究院 生命機能科学部門 准教授
園元謙二   九州大学大学院 農学研究院 生物機能科学部門 応用微生物学講座 微生物工学分野 教授;九州大学 バイオアーキテクチャーセンター 機能デザイン部門 食品機能デザイン分野 教授
梶野 勉   (現)(株)豊田中央研究所 先端研究センター 主席研究員
福嶋喜章   (現)(株)豊田中央研究所 先端研究センター レクター
香田次郎   (現)広島市立大学 大学院情報科学研究科 創造科学専攻 講師
矢野卓雄   (現)広島市立大学 大学院情報科学研究科 創造科学専攻 教授
岸本高英   (現)東洋紡績(株) 敦賀バイオ研究所 チームリーダー 
佐々木真宏  (現)セーレン(株) 研究開発センター 主管
浜地 格   (現)京都大学 工学研究科 合成・生物化学専攻 教授
伊藤敏幸   (現)鳥取大学 大学院工学研究科 化学・生物応用工学専攻 応用化学講座 教授
廣瀬芳彦   天野エンザイム(株) 岐阜研究所 メディカル開発部 メディカル開発部長
原田敦史   (現)大阪府立大学 大学院工学研究科 准教授
中野道彦   豊橋技術科学大学 エコロジー工学系 博士研究員
        (現)九州大学 大学院システム情報科学研究院 電気システム工学部門 助教
水野 彰   (現)豊橋技術科学大学 環境・生命工学系 教授
宮崎真佐也  (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 マイクロ・ナノ空間化学グループ 主任研究員;九州大学大学院 総合理工学府 物質理工学専攻 新素材開発工学講座 助教授
        (現)(独)産業技術総合研究所 生産計測技術研究センター 主任研究員
本田 健   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 マイクロ・ナノ空間化学グループ 特別研究員
        (現)山口大学 医学研究科 分子薬理学研究室 助教
前田英明   (現)(独)産業技術総合研究所 生産計測技術研究センター マイクロ空間化学ソリューションチーム チーム長
大内将吉   (現)九州工業大学 大学院情報工学研究院 生命情報工学研究系 准教授
谷野孝徳   神戸大学 大学院自然科学研究科 博士課程後期
        (現)群馬大学 大学院工学研究科 環境プロセス工学専攻 助教
近藤昭彦   (現)神戸大学 大学院工学研究科 教授
斎藤恭一   (現)千葉大学 大学院工学研究科 共生応用化学専攻 教授
下村雅人   (現)長岡技術科学大学 工学部 生物系 教授
坪井泰之   (現)北海道大学 大学院理学研究院 化学部門 准教授
田中大輔   (現)三菱重工業(株) 技術統括本部 名古屋研究所 材料・強度研究室 主任
高蔵 晃   (現)タカラバイオ(株) 製品開発センター 主幹研究員
原 暁非   筑波大学 大学院数理物質科学研究科 準研究員
長崎幸夫   (現)筑波大学 大学院数理物質科学研究科 教授
岸田昌浩   (現)九州大学 工学研究院 化学工学部門 教授
松根英樹   九州大学 工学研究院 化学工学部門 助手
金野智浩   東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 助手
        (現) 東京大学 大学院工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 特任准教授
石原一彦   東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 教授
大西徳幸   マグナビート(株) 代表取締役社長
       (現)チッソ石油化学(株) 五井研究所 研究第4センター NT-プロジェクト プロジェクトリーダー

執筆者の所属表記は,注記以外は2006年当時のものを使用しております。

目次

【第1編 酵素の探索】
第1章 アルカリ酵素
1. アルカリ酵素と好アルカリ性微生物
2. アルカリ酵素の産業用途
3. アルカリプロテアーゼ
4. アルカリセルラーゼ
5. アルカリα-アミラーゼ
6. その他のアルカリ酵素
7. アルカリ酵素の高生産化

第2章 耐熱性DNAポリメラーゼ
1. 耐熱性酵素の宝庫:極限環境微生物
2. 産業用酵素としての耐熱性DNAポリメラーゼ
3. 新規な耐熱性DNAポリメラーゼの探索
4. KOD DNAポリメラーゼのPCRへの応用
5. KOD DNAポリメラーゼの更なる改良:耐熱性アクセサリータンパク質の探索
6. 今後の展望

第3章 好冷性酵素
1. 低温適応生物と好冷性酵素
2. 好冷性酵素の特性
3. 好冷性酵素の構造的特徴
3.1 疎水性相互作用
3.2 表面親水性
3.3 静電相互作用
3.4 二次構造
3.5 ループ構造
3.6 その他の構造的特徴
4. 好冷性酵素の利用
4.1 洗剤用酵素
4.2 食品加工用酵素
4.3 分子生物学研究用酵素
4.4 その他の利用法
5. 将来展望

第4章 有機溶媒耐性酵素
1. はじめに
2. 有機溶媒耐性について
3. 酵素反応に使用する有機溶媒について
4. 有機溶媒耐性からみた酵素の修飾と固定化
5. 有機溶媒耐性酵素のスクリーニング戦略
6. 進化分子工学的手法による有機溶媒耐性酵素の創製
7. おわりに

第5章 深海微生物からの有用酵素の探索
1. はじめに
2. 深海環境と微生物多様性
3. 深海微生物由来アガラーゼの探索
3.1 海洋未利用資源としての紅藻類
3.2 新規アガラーゼの探索
3.2.1 ネオアガロ6糖生成 β-アガラーゼ
3.2.2 耐熱性ネオアガロ4糖生成 β-アガラーゼ
3.2.3 ネオアガロ2糖生成 β-アガラーゼ
3.2.4 α-アガラーゼの探索とその利用
4. ラムダカラギナーゼの発見
5. 酸化剤耐性アミラーゼの発見
6. トレハロース生成酵素の発見
7. おわりに

第6章 メタボローム解析の原理と応用
1. はじめに
2. メタボロミクスに用いる質量分析
3. 質量分析計を用いる場合の定量性について
4. メタボロミクスにおけるデータ解析
5. おわりに

【第2編 酵素の改変】
第1章 進化工学的手法による酵素の改変
1. はじめに―蛋白質は進化の所産である―
2. 定方向進化―蛋白質分子の優生学―
3. 遺伝子バリエーションを生み出すさまざまな変異方法
3.1 点突然変異(ランダム点変異)
3.2 サチュレーション変異(Saturation mutagenesis)
3.3 DNAシャフリング(ランダム遺伝子組換え)
4. 選択圧の設定―What you get is what you screen for.
4.1 正しいガイドに沿った例
4.2 経路からそれてしまった例
5. おわりに

第2章 極限酵素の分子解剖・分子手術―アルカリキシラナーゼを例にとり―
1. はじめに
2. アルカリ性条件下で高活性を示す新規アルカリキシラナーゼ
2.1 キシラナーゼの分類
2.2 アルカリキシラナーゼ生産菌の検索とキシラナーゼ遺伝子の解析
3. 触媒ドメインの解析
3.1 キシラナーゼの反応機構と立体構造
3.2 触媒活性に関与するアミノ酸残基の特定
3.3 アミノ酸置換による反応至適pHの変換
4. キシラン結合ドメインの解析
4.1 キシラナーゼに見られる付加ドメイン
4.2 C末端機能未知領域の機能解明
4.3 キシラン結合に関与するアミノ酸残基の特定
4.4 変異型XBDを利用したキシラナーゼの機能向上
5. おわりに

第3章 酵素のハイブリッド化による新機能の付与
1. はじめに
2. DNAを連結したリボヌクレアーゼHによるRNAの配列特異的切断法の開発
2.1 大腸菌RNase HIを用いたハイブリッド酵素の作成
2.2 高度好熱菌RNase HIを用いたハイブリッド酵素の構築
3. おわりに

第4章 ランチビオティック工学における新規酵素反応
1. はじめに
2. ランチビオティックの分類と生合成・自己耐性機構
2.1 タイプAランチビオティック
2.2 タイプBランチビオティック
2.3 ランチビオティックの生合成・自己耐性機構
3. ランチビオティック修飾酵素の種類と特徴
3.1 異常アミノ酸形成酵素(LanB,LanC/LanM)
3.2 脱炭酸酵素(LanD)
3.3 リーダーペプチダーゼ(LanP)
3.4 菌体外輸送タンパク質(LanT)
4. ランチビオティックnukacin ISK-1に関する研究
5. ランチビオティック工学における新規酵素反応
5.1 nukacin ISK-1における研究
5.2 他のランチビオティックにおける研究
5.3 ランチビオティック工学における自己耐性機構の解析
6. おわりに

【第3編 酵素の安定化】
第1章 ナノ空間場におけるタンパク質の機能と安定化
1. はじめに
2. メソポーラス多孔体が有するナノ空間場
3. ナノ空間場に固定された酵素の機能
3.1 細孔径に依存した酵素の安定化
3.2 FSM/Manganese Peroxidase(MnP)複合体による連続酵素反応
3.3 FSM/Myoglobin複合体の基質特異性
3.4 膜タンパク質の安定化
4. ナノ空間場における酵素の安定化メカニズム
5. 今後の展望

第2章 超好熱菌由来シャペロニン共包括による固定化酵素の安定化
1. 緒言
2. シャペロニン
3. シャペロニンによる遊離酵素,固定化酵素の安定化
4. シャペロニンによる高温における遊離酵素の安定化効果
5. シャペロニンによる低温における酵素の長期安定化効果
6. ゲル包括酵素に対するシャペロニンの安定化効果
7. 結言および今後の展望

第3章 セリシンによる酵素の安定化
1. はじめに
2. 酵素安定化剤
3. セリシンとは
3.1 セリシンの特徴
3.2 保湿性
3.3 熱安定性
3.4 セリシンペプチド
4. セリシンによる酵素の安定化
4.1 凍結保護作用
4.2 酵素安定化作用
5. おわりに

第4章 酵素をラッピングする糖アミノ酸誘導体型ヒドロゲル
1. はじめに
2. 糖アミノ酸誘導体から形成される自己組織的なヒドロゲル
3. 糖アミノ酸誘導体型ヒドロゲルによる酵素/タンパク質のラッピング
4. セミウエットな酵素/タンパク質チップへの応用

【第4編 酵素の反応場・反応促進】
第1章 イオン液体を反応媒体に用いる酵素触媒反応
1. はじめに
2. イオン液体と生体触媒
3. イオン液体溶媒中のリパーゼ触媒不斉反応
4. イオン液体の純度の重要性
5. イオン液体の種類と酵素活性
6. PEGアルキルスルホン酸イミダゾリウム塩イオン液体によるリパーゼの活性化
7. おわりに

第2章 有機溶媒での酵素反応
1. はじめに
2. 水中と有機溶媒中での酵素反応の比較
3. 有機溶媒による立体選択性への影響
4. 有機溶媒中での酵素の反応性向上
5. おわりに

第3章 内核に酵素反応場を有するコア-シェル型ナノ組織体
1. はじめに
2. 酵素内包ポリイオンコンプレックスミセル
3. 可逆的なミセル形成に同期した酵素機能のON-OFF制御
4. ナノスコピックな酵素反応場としてのミセル内核
5. パルス電場に応答した酵素機能のON-OFF制御
6. コア架橋型酵素内包ポリイオンコンプレックスミセル
7. まとめ

第4章 Water-in-Oilエマルションを用いた微小反応系の構築
1. 微小反応場を提供するW/Oエマルション
2. 微小反応場としてのW/Oエマルションの利用
2.1 無細胞タンパク合成系への応用
2.2 PCRへの応用
2.3 顕微鏡下あるいはマイクロチャンネル微小反応装置でのW/Oエマルションの利用
3. W/Oエマルションの形成方法
3.1 試験管内で反応を行う場合
3.2 顕微鏡下あるいはマイクロチャンネル微小反応装置での液滴の形成
4. まとめ

第5章 マイクロリアクターを用いる酵素反応プロセス
1. はじめに
2. マイクロリアクターを用いる酵素反応プロセス技術
2.1 液相反応
2.2 マイクロチャネル内部への固定化酵素の導入
2.3 マイクロチャネル表面への酵素の固定化
2.4 膜形成による固定化
3. マイクロリアクターを用いる酵素反応プロセス
4. 今後の展望

第6章 酵素反応を促進するマイクロ波の効果
1. はじめに
2. マイクロ波加熱のしくみと,マイクロ波有機化学
3. 酵素反応の促進のためのマイクロ波利用の事例
4. リン酸エステル加水分解酵素へのマイクロ波利用
5. 遺伝子増幅反応へのマイクロ波利用

【第5編 酵素の固定化】
第1章 酵母表層への酵素の固定化と応用
1. はじめに
2. 酵母表層ディスプレイ法とアンカータンパク質
3. リパーゼアーミング酵母とその応用
3.1 ROLアーミング酵母の開発ならびにバイオディーゼル燃料生産への応用
3.2 ROLアーミング酵母の光学分割反応への応用
3.3 CALBアーミング酵母の開発ならびに重合反応への応用
4. アーミング酵母を用いたバイオマスからのバイオエタノール生産
4.1 アミラーゼアーミング酵母の開発ならびにデンプンからのエタノール生産
4.2 セルラーゼアーミング酵母の開発並びにセルロースからのエタノール生産
5. 酵母細胞表層ディスプレイ法とコンビナトリアル・バイオエンジニアリング
6. その他の宿主細胞表層ディスプレイとその応用
7. おわりに

第2章 多孔性膜への酵素の固定化と応用
1. 多孔性膜を酵素固定用担体として用いる利点
2. 放射線グラフト重合法による多孔性膜へのグラフト鎖の付与
3. グラフト鎖搭載多孔性膜への酵素の固定
4. 酵素固定多孔性膜の性能
4.1 α-アミラーゼ
4.2 アミノアシラーゼ
4.3 アスコルビン酸オキシダーゼ
4.4 環状オリゴ糖合成酵素
4.5 デキストラン合成酵素
4.6 ウレアーゼ
4.7 コラゲナーゼ
5. おわりに

第3章 導電性高分子への酵素固定とバイオセンサーおよびバイオ燃料電池への応用
1. はじめに
2. 生物関連物質の分子認識
3. バイオセンサーの構成
4. 生物関連物質の固定化
5. 電流検知型バイオセンサー
6. 酵素固定化電極を用いるバイオ燃料電池
7. おわりに

第4章 レーザーを用いた固体基板への酵素固定
1. はじめに
2. パルスレーザー堆積法による酵素固定
3. レーザー転写法による酵素固定
4. LIFT法によるルシフェラーゼ固定型ATP検出チップ

第5章 繊維への酵素の固定化,エアフィルターへの応用
1. はじめに
2. 室内空気環境
3. 酵素によるアレルゲンの不活化
4. 超耐熱性酵素
4.1 超耐熱性酵素とは
4.2 Pfu Protease S
4.3 Pfu Protease Sの性状(安定性,基質特異性)
4.4 Pfu Protease Sの応用
5. エアフィルターへの酵素の応用
5.1 エアフィルターへの酵素の加工
5.2 バイオクリアフィルターの特徴
6. おわりに

第6章 PEG/酵素共固定化金ナノ粒子の調製と機能
1. はじめに
2. 酵素の固定方法
3. 固定した酵素の安定性
3.1 高イオン強度下での分散安定性
3.2 耐熱安定性
4. 他酵素の固定化
5. おわりに

第7章 磁性ビーズへの酵素の固定化
1. 無機担体への酵素の固定化技術
2. 磁性シリカナノビーズへのラッカーゼの固定化
3. 磁性シリカビーズ固定化ラッカーゼの調製条件の最適化
4. ビーズ中におけるラッカーゼの固定化状態
5. 有機溶媒中で活性発現する磁性ナノビーズ固定化ラッカーゼ
6. おわりに

第8章 リン脂質ポリマーナノ粒子表面への酵素の固定化とナノ診断デバイスの構築
1. はじめに
2. 生体分子を固定化するリン脂質ポリマーの分子設計
3. 表面にタンパク質分子を固定化できるリン脂質ポリマーナノ粒子
4. 酵素固定化ナノ粒子の機能
5. 複合固定化ナノ粒子の機能
6. 新しい診断デバイスの構築
7. おわりに

第9章 磁性ナノ粒子への酵素の固定化
1. はじめに
2. 革新的な磁性ナノ粒子
3. 熱応答性高分子とは
4. 熱応答性磁性ナノ粒子の合成
5. タンパク質分離および選択的な固定化への応用
6. 酵素固定化への応用
7. 将来展望
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