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微生物機能を活用した革新的生産技術の最前線―ミニマムゲノムファクトリーとシステムバイオロジー―(普及版)

  • Novel Production Technology that uses Microorganism Function ―Minimum Genome Factory and System Biology―
2007年刊「微生物機能を活用した革新的生産技術の最前線」の普及版。微生物による有用物質生産についての書籍。世界規模での人口増加、食料需給、環境汚染、石油エネルギー枯渇などの課題を宿主細胞の造成、酵素、反応素子の探索、創製、そのための基盤技術について詳述。

商品コード: B1001

  • 監修: (編集)清水昌・大竹久夫・藤尾達郎・穴澤秀治
  • 発行日: 2012年6月
  • 価格(税込): 3,456 円
  • 体裁: B5判,201ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0505-9

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刊行にあたって

 人類の健康で豊かな生活を支える食品や医薬品,化成品などは,農林水産業や医薬品産業,化学工業などにおける知的集約型のソフトなモノづくり技術の上に成り立っており,世界規模での人口増加,食料需給,環境汚染,石油エネルギー枯渇などの人類共通の課題からは,バイオテクノロジーの活用によるこれらの物質製造技術に期待が寄せられている。
 広範なバイオテクノロジーの分野の中でも微生物機能を活用した製造技術は,米国においてはバイオリファイナリーケミカルズとして,欧州ではホワイトバイオケミカルス構想において取り組みが進行しているが,これまでは発酵生産技術の展開として,世界的に我が国が秀でていると考えられてきた。このことを本質的に支えているのが,有用微生物機能探索技術,微生物菌株の変異等遺伝学的改良技術,酵素や微生物を用いた反応系の構築技術等の基本水準の高さである。微生物を用いたこれらの技術は,まさに,バイオテクノロジーの活用による物質製造の大きな柱の一つとなっており,ここにわが国のバイオテクノロジーにおける最大の優位点があるといえる。
 しかしながら,近年,米国において,大量,均一で安価な糖質を基盤とする燃料用エタノールやコモディティーケミカルスという安価な発酵生産物質の工業的生産が現実のものとなり,わが国のこの分野の技術は米国に追い抜かれたという見方が出てきている。詳細に見ると,それは安価で良質な糖源を大量に有しているという米国農業の優位性に立脚しているのが現実であり,微生物の探索,改良,反応系の構築という発酵技術開発の本質において追い越されたわけではないことが推察されるが,欧米のこの分野への研究開発投資は,我が国とは一桁違う大きさであり,1960年代に宇宙技術開発に示したと同様の情熱が示されている。
 そこで,我が国においても,実質的・産業的成果を得るためにも,将来の日本の産業構造をしっかりと見据えた上で,重要と思われる具体的課題を設定し,欧米の物まねではなく,その解決に最も適した微生物機能を探索・開発することを軸とし,その微生物機能が最大限に発揮される場を提供しうる周辺技術(画期的なスクリーニング技術,各種オミクス解析技術,それらを統合したシステムズバイオロジー,それらに立脚した物質生産菌株の育種技術など)を,今後も継続的に発展,成熟させる必要がある。
 本書では,現時点におけるこれらの課題を,宿主細胞の造成,酵素,反応素子の探索,創製,そのための基盤技術開発について,わが国の産,学,官の第一線の研究者に記述をお願いした。進歩の早い分野であるが,21世紀初頭の10年における最新の技術水準を記録する上で,本書は重要なマイルストーンである。
(「はじめに」より)
2007年11月  協和発酵工業(株) 科学技術戦略室 穴澤秀治


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2007年に『微生物機能を活用した革新的生産技術の最前線―ミニマムゲノムファクトリーとシステムバイオロジー―』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。

2012年6月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

清水昌    京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 教授
大竹久夫   大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 教授
藤尾達郎   東京大学 国際・産学共同研究センター 客員教授
穴澤秀治   協和発酵工業(株) 科学技術戦略室 R&D評価担当部長
森英郎    協和発酵工業(株) バイオフロンティア研究所 主任研究員
荒勝俊    花王(株) 生物科学研究所 グループリーダー
尾崎克也   花王(株) 生物科学研究所 室長
掛下大視   花王(株) 生物科学研究所 研究員(筑波大学駐在)   
中村幸治   筑波大学 大学院生命環境科学研究科 准教授
山根國男   筑波大学名誉教授
児玉武子   花王(株) 生物科学研究所 研究員(信州大学駐在)
関口順一   信州大学 大学院総合工学系研究科 教授
門屋亨介   花王(株) 生物科学研究所 研究員(奈良先端科学技術大学院大学駐在)
森本拓也   花王(株) 生物科学研究所 研究員(奈良先端科学技術大学院大学駐在)
小笠原直毅   奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科 教授
浜祐子    旭硝子(株) ASPEX事業推進部 研究開発グループリーダー
竹川薫    香川大学 農学部 応用生物科学科 教授
柘植謙爾   慶應義塾大学先端生命科学研究所 特別研究講師
板谷光泰   慶應義塾大学環境情報学部 先端生命科学研究所 教授
杉山峰崇   大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 助教
金連姫    大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 特任研究員
山岸一雄   大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 博士後期課程
金子嘉信   大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 准教授
原島俊    大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 教授
鈴木伸昭   (財)地球環境産業技術研究機構(RITE) 微生物研究グループ 主任研究員
乾 将行   (財)地球環境産業技術研究機構(RITE) 微生物研究グループ 副主席研究員
湯川英明   (財)地球環境産業技術研究機構(RITE) 微生物研究グループ グループリーダー
加藤純一   広島大学 大学院先端物質科学研究科 教授
武田耕治   メルシャン(株) 医薬・化学品事業部 バイオ技術開発センター センター長
吉田豊和   岐阜大学 工学部 生命工学科 准教授
長澤透    岐阜大学 工学部 生命工学科 教授
礒部公安   岩手大学 農学部 応用生物化学課程 教授
岩崎晃    (株)カネカ ヘルスケアプロダクツ事業本部 工業化研究グループ 研究員
川野茂    (株)カネカ ヘルスケアプロダクツ事業本部 ファインケミカル研究グループ 研究員
八十原良彦   (株)カネカ ヘルスケアプロダクツ事業本部 ファインケミカル研究グループ 基幹研究員 
長谷川淳三   (株)カネカ/ユアヘルスケア(株) 上席幹部
片岡道彦   京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 准教授
小川順    京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 助教
本田孝祐   大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 助教
西原宏史   茨城大学 農学部 資源生物科学科 准教授
五十嵐泰夫   東京大学 大学院農学生命科学研究科 応用生命工学専攻 教授
石井正治   東京大学 大学院農学生命科学研究科 応用生命工学専攻 准教授
森浩禎    奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 生体情報学 教授;慶應義塾大学 先端生命科学研究所 教授
八尾徹    (独)理化学研究所 ゲノム科学総合研究センター 顧問 (兼)(独)産業技術総合研究所 JBIRC,CBRC

執筆者の所属表記は,2007年当時のものを使用しております。

目次

序論―物質生産プロセスのバイオ化をめざして―
1. バイオプロセスの優位性はどこにあるのか
2. 日本の優位性はなにか
3. バイオプロセスの展開と日本のとるべき道
3.1 微生物生産のターゲットと新分野の開拓
3.2 バイオ政策の展開

【第I編 宿主細胞創製技術(ミニマムゲノムファクトリー)】
[MGFの創製]
第1章 ミニマムゲノムファクトリーのコンセプト

第2章 大腸菌のミニマムゲノムファクトリー
1. はじめに
1.1 ミニマムゲノムファクトリーの必要性
1.2 遺伝子組換え技術から代謝工学へ
1.3 ゲノムサイエンスのインパクト
1.4 よりシンプルで使いやすい大腸菌へ
2. 大腸菌MGF作製に向けた遺伝子機能情報の取得
2.1 MGFの作製戦略
2.2 大腸菌ゲノムの特徴と縮小化の限界
2.3 大腸菌遺伝子破壊株ライブラリーを用いた遺伝子機能解析
3. 染色体縮小化株作製
3.1 縮小化染色体のドラフトデザイン
3.2 染色体高度加工方法の開発
3.3 実用的な染色体縮小化株の作製
3.4 他の染色体縮小化大腸菌菌株との比較
4. 今後の展望
4.1 改良の方向性
4.2 さらなる染色体の縮小化
4.3 特定物質の生産に特化したMGF-01株の改良

第3章 枯草菌のミニマムゲノムファクトリー
1. はじめに
2. ゲノムの効率的削除、改変技術
3. 不要遺伝子、必要遺伝子の峻別および機能評価
3.1 胞子形成初期遺伝子の発現制御技術
3.2 分泌ストレス応答遺伝子制御技術
3.3 溶菌酵素制御技術
4. 枯草菌MGFの創製に向けて
5. 枯草菌MGFを用いた異種タンパク質生産技術
6. おわりに

第4章 分裂酵母のミニマムゲノムファクトリー
1. はじめに
2. 分裂酵母染色体の大規模領域削除
2.1 削除領域の決定
2.1.1 分裂酵母のゲノム
2.1.2 分裂酵母のトランスクリプトーム
2.2 削除方法の開発
3. 不要プロテアーゼ遺伝子の同定およびプロテアーゼ単独・多重破壊株
4. 各種遺伝子機能解析
5. おわりに

[染色体大規模加工技術] 
第5章 枯草菌による革新的遺伝子集積法と物質生産
1. はじめに(枯草菌を用いた巨大ゲノム操作)
2. 遺伝子集積による物質生産
3. 枯草菌プラスミド形質転換系を利用した革新的遺伝子集積法(OGAB法)
4. OGAB法による物質生産遺伝子の集積
4.1 プリパスタチン遺伝子群のカセット化
4.2 カロテノイド生合成オペロンの再配列
5. おわりに

第6章 出芽酵母ゲノムの再構成技術と最適ゲノムファクトリー
1. はじめに
2. 最適ゲノムファクトリー
3. 出芽酵母の染色体分断技術
4. 分断染色体の脱落によるゲノムの再構成
5. ゲノムの再構成技術の有用菌株育種への応用
6. ゲノムの再構成技術をめぐるフロンティア

第7章 コリネ菌:コリネ型細菌における染色体大規模加工技術の開発
1. はじめに
2. コリネ型細菌ゲノムにおける生育非必須領域
3. ターゲット大規模削除
3.1 Cre/loxP組換え反応を用いた大規模削除
3.2 繰り返し削除が可能な大規模削除法の開発
3.3 I-SceIメガヌクレアーゼを利用した大規模削除
4. ランダムゲノム削除
4.1 新規トランスポゾンの単離
4.2 ランダム多数遺伝子削除株の作製
5. 多数遺伝子導入
5.1 Cre/loxP組換え反応を利用した多数遺伝子導入
5.2 有用化合物合成遺伝子群の導入
6. おわりに

【第II編 有用微生物の探索・評価・遺伝子ライブラリー構築】
第1章 ケミカルバイオテクノロジーによる酸化バイオプロセス
1. はじめに
2. 芳香族炭化水素の酸化バイオプロセスの構築
2.1 有機溶媒耐性細菌の取得
2.2 P.putida T57株を用いた生体触媒細胞の構築
2.3 P.putida T57株のtodDおよびtodE変異株を用いたo-クレゾールおよびメチルカテコールの生産
2.4 今後の展望
3. 脂肪族炭化水素の酸化バイオプロセス
3.1 アルカン資化微生物の分離
3.2 アルカン酸化酵素遺伝子の取得
3.3 Alkシステム遺伝子群の大腸菌における機能的発現
3.4 P450システム遺伝子群の取得
3.5 P450システム遺伝子群の機能的発現
3.6 アルコール耐性微生物の取得
3.7 有機溶媒耐性株の形質転換宿主としての評価
3.8 アルコール耐性Pseudomonas sp.OCR002における酸化酵素遺伝子群の発現
4. 今後の課題

第2章 微生物触媒によるコルベ・シュミット炭酸固定反応
1. はじめに
2. フェノール性化合物のカルボキシル化を触媒する酵素
2.1 微生物嫌気代謝における芳香族ヒドロキシカルボン酸の生成
2.2 4-ヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素
2.3 3、4-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素
2.4 フェルニリン酸カルボキシラーゼ
2.5 2、6-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素
2.6 2、3-ジヒドロキシ安息香酸脱炭酸酵素
3. 芳香族複素環化合物のカルボキシル化を触媒する酵素
3.1 ピロール-2-カルボン酸脱炭酸酵素
3.2 インドール-3-カルボン酸脱炭酸酵素
4. 炭酸固定反応を触媒する脱炭酸酵素群の構造解析
4.1 ClassIに属する脱炭酸酵素
4.2 ClassIIに属する脱炭酸酵素
4.3 フェニルリン酸カルボキシラーゼ
5. おわりに

第3章 位置選択的酵素酸化、立体選択的酵素還元反応の探索
1. はじめに
2. グリコール系糖類の微生物酸化による短鎖有機酸生産プロセスの開発
2.1 オキシダーゼ類のスクリーニング
2.1.1 エチレングリコールをグリコールアルデヒドに酸化する酵素(反応1)
2.1.2 グリコールアルデヒドをグリオキサールに酸化する酵素(反応2)
2.1.3 グリオキサールをグリオキシル酸に酸化する酵素(反応3)
2.1.4 グリコールアルデヒドをグリコール酸に酸化する酵素(反応4)
2.1.5 グリコール酸をグリオキシル酸に酸化する酵素(反応5)
2.2 短鎖有機酸の酵素合成
2.2.1 エチレングリコールからのグリオキサール合成(反応1→2)
2.2.2 エチレングリコールからグリコール酸の合成(反応1→4)
2.2.3 エチレングリコールからグリオキシル酸の合成(反応1→2→3)
2.3 まとめ
3. バイオ不斉還元システムによる光学活性アルコール類の合成
3.1 新規還元酵素の探索とその応用
3.1.1 α-ケト酸のバイオ還元
3.1.2 フェナシルハライドのバイオ還元
3.1.3 β-ケトアミドのバイオ還元
3.1.4 ジアステレオ選択的バイオ還元
3.2 まとめ
4. おわりに

第4章 有機溶媒中でのバイオプロダクション
1. はじめに
2. 有機溶媒中での酵素変換
3. 有機溶媒耐性微生物
4. 有機溶媒耐性細菌を用いた物質生産~水/有機溶媒二相系プロセス~
5. 有機溶媒一相系での微生物変換~親油性微生物とその応用~
6. おわりに

第5章 ヒドロゲナーゼ反応のエネルギー供給系への応用
1. バイオプロセスと水素の接点
2. 水素酸化細菌のエネルギー代謝とヒドロゲナーゼ
3. ヒドロゲナーゼ反応の補酵素供給系としての利用
3.1 バイオプロセスにおける有用性
3.2 アルコール脱水素酵素とヒドロゲナーゼのin vitro共役反応の検討
3.3 水素酸化細菌宿主におけるKLBの発現による水素利用型微生物触媒の作製
3.4 R.eutropha KLB発現株によるヒドロゲナーゼ-KLBのin vivo共役反応
3.4.1 回分反応の検討
3.4.2 ジャーファーメンターによる経時的反応の検討
3.5 R.eutropha LDH発現株によるヒドロゲナーゼ-LDHのin vivo共役反応
4. 総括と将来展望

【第III編 細胞代謝のモデリング技術とシステムバイオロジー】
第1章 システム生物学におけるリソースの重要性(森浩禎)
1. はじめに
2. ゲノム研究よりもたらされたもの
3. ゲノム研究からシステム生物学へ
4. システム生物学への期待
5. リソース
5.1 ORF clone library
5.2 遺伝子欠失株ライブラリー
5.3 分譲実績
5.4 リソースを利用して
6. リソースの今後
7. おわりに

第2章 システムバイオロジー研究の国際動向―生命体のシステム的理解から応用へ―
1. はじめに
2. システムバイオロジーの発展
2.1 全般動向
2.2 最近の米国の動き
2.2.1 NIH
2.2.2 マルチスケールモデリング
2.2.3 DOE
2.3 欧州の動き
2.3.1 ドイツの肝臓細胞システムバイオロジープロジェクト“HepatoSys”
2.3.2 イギリスのシステムバイオロジーセンター(Centers for Integrative Systems Biology)
2.3.3 EU(欧州連合)のシステムバイオロジー展開
2.4 システムバイオロジーの研究動向
3. システムバイオロジーによる微生物の基礎研究と応用
3.1 全般動向
3.2 米国DOEの施策
3.3 欧州SysMO
3.4 微生物関連システムバイオロジー研究の注目事例
4. 合成バイオロジー(Synthetic Biology)
4.1 合成バイオロジーの発展
4.2 最近の動向
4.3 今後の展望
5. おわりに
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