【特集】植物バイオマスデザイン―統合バイオリファイナリーの実現に向けて―

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特集にあたって

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吉田和哉(奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 准教授)




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植物バイオマス増産の必要性と研究課題
Necessity and Strategy for Increase of Plant Biomass Production

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新名惇彦(奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 教授)

年間地球上で再生される植物バイオマスのエネルギー量は現在の消費エネルギー量の約8倍ある。その6割が未利用の資源であるが,集積して使いやすいものはそれ程多くない。2050年には世界人口は約1.5倍になり,食料以外にも飼料,建材,紙パルプ,繊維も単純には1.5倍いる。しかも中国,インドなど途上国の経済発展も活発であり,植物バイオマスを数十%増産しなければならない。これには遺伝子組換え技術が必須である。植物増産に重要な遺伝子が続々と単離されており,今後の研究の方向性を言及する。

【目次】
1. 石油代替エネルギーとしてのバイオマスエネルギー
2. 植物バイオマスの増産策
3. 植物バイオサイエンスとバイオテクノロジー
4. おわりに


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バイオリファイナリーが求める植物バイオマス
Plant Biomass for Biorefinery

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荻野千秋(神戸大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 准教授)
田中勉(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 助教)
福田秀樹(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 教授)
近藤昭彦(神戸大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 教授)

筆者らの研究室では,微生物を菌体触媒および物質変換を行う細胞工場として用い,(1)植物油から酵素反応によってメチルエステル,(2)デンプンやセルロースを資化可能にする微生物によりバイオエタノールや化学品の生産を試みている。本稿では,これらの研究成果を紹介し,バイオリファイナリーに求められている植物バイオマスに関して論じたい。

【目次】
1. はじめに
2. 酵素反応によるメチルエステル(バイオディーゼル燃料)生産
3. エタノール生産
3.1 デンプンからのエタノール生産
3.2 セルロースからのエタノール生産
3.3 ヘミセルロースからのエタノール生産
4. 乳酸生産
5. アミノ酸およびその誘導体生産
6. おわりに


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バイオマスデザインに向けた細胞育種の新発想
Novel Idea of Cell Breeding for Biomass Design

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黒田浩一(京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 助教)
三浦夏子(京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 修士課程)
植田充美(京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 教授)

植物バイオマスの増産など利用を考える上で,2つの重要な育種デザインの戦略がある。一つは植物自身の生育を促進すること,もう一つは植物以外の生物の力を利用することである。筆者らは本稿で,糖アルコールを利用したGMO問題に抵触しない手法による生育促進と,酵母をモデルとした2種類のシステムを例にとって植物バイオマス研究に生かすための提言を行う。

【目次】
1. 生育促進の重要性
2. 糖アルコールによる新規作用の発見
3. 糖アルコールによる生育促進
4. 酵母育種にみられる新しい戦略の適用
5. おわりに


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環境ストレス耐性向上の分子育種による植物バイオマス増産
Increase in the Plant Biomass Production by Molecular Breeding for Improvement of the Environmental Stress Resistance

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吉田和哉(奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 准教授)
平良安聡(奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 博士課程)
仲山英樹(奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 助教)

植物バイオマス量は生育環境から受ける様々なストレスによって減少する。バイオマス生産の低下を防ぐ手段として植物の環境ストレス耐性を向上させる分子育種が有効である。本稿では,主要な環境ストレスである乾燥・塩ストレスに対する植物の適応機構を概説し,それらのストレスに対する耐性を向上させる分子育種技術の研究開発を紹介する。

【目次】
1. はじめに
2. 植物が受ける塩・乾燥ストレスと適応機構
3. 植物におけるカリウム/ナトリウムイオン恒常性の維持
4. 耐塩性植物の分子育種
4.1 浸透圧ストレス耐性の向上
4.2 ナトリウムイオンストレス耐性の向上
5. おわりに


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植物養分吸収系の分子改良による植物バイオマス増産
Enhancement of Biomass Production through Improvement of Nutrient-transport Systems in Plants

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三輪京子(東京大学 生物生産工学研究センター 日本学術振興会特別研究員 PD)
藤原徹(東京大学 生物生産工学研究センター 准教授)

植物は土壌からミネラルを吸収し,生存を支えている。自然環境で植物は必要な無機栄養の欠乏に対処すると共に,土壌に存在する有害な元素の影響を低減しなくてはならない。農業現場においても,必須元素の欠乏や有害元素の存在は農業生産を低下させる。今後,優良な農耕地が減少していくなかで,エネルギー投入を減少させつつ農業生産性を向上させるためには,栄養が不良な土壌でも効率的に生きることのできる作物の開発が急務であり,このような作物が開発されつつある。

【目次】
1. はじめに
2. 植物の鉄吸収の分子機構と鉄欠乏耐性作物の作出
2.1 植物における鉄吸収の分子機構
2.2 ムギネ酸合成系酵素の発現上昇による鉄欠乏耐性植物の作出
2.3 三価鉄還元活性の上昇による鉄欠乏耐性植物の作出
2.4 鉄欠乏応答を制御する転写因子の発現改変による鉄欠乏イネの作出
3. 植物のケイ素吸収の分子機構
3.1 ケイ素吸収を担う吸収型トランスポーターLsi1
3.2 ケイ素吸収を担う排出型トランスポーターLsi2
4. 植物のホウ素吸収の分子機構とホウ素栄養障害耐性植物の作出
4.1 植物のホウ素輸送体の同定
4.2 ホウ素欠乏耐性植物の分子育種
4.3 ホウ素過剰耐性植物の作出
5. 植物のアルミニウム毒性耐性の分子機構
5.1 Al依存的なリンゴ酸分泌を担うリンゴ酸トランスポーターALMT1
5.2 Al依存的なクエン酸分泌を担うMATEタイプのクエン酸トランスポーター
5.3 有機酸分泌によらないAl毒性耐性機構
6. おわりに


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葉緑体改変による植物バイオマス増産
Improvement of Plant Biomass Production by Chloroplast Engineering

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横田明穂(奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科)

1993年にMaligaによって相同組換えによるタバコ葉緑体形質転換法が開発されて以降,現在ではイネ科植物以外の多くの植物の葉緑体形質転換が可能になっている。葉緑体はバイオマス生産の中心であり,植物におけるバイオマス生産の担い手としての葉緑体の重要性,実際の高度利用の現状,さらには将来の研究の方向について解説する。

【目次】
1. はじめに
2. 葉緑体ゲノム遺伝子操作法
3. 植物生産性を決める諸因子の同定と生産性向上を目指した葉緑体形質転換
4. バイオマス生産の担い手としての葉緑体の重要性
5. おわりに


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リグニンの改変技術
Metabolic Engineering of Lignin Biosynthesis

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梅澤俊明(京都大学 生存圏研究所 教授;同大学 生存基盤科学研究ユニット 研究フェロー)
鈴木史朗(京都大学 生存基盤科学研究ユニット 助教)

木質バイオマスからのバイオ燃料生産は,目下緊急の課題となっている。この目的に適した木質バイオマスの分子育種,とりわけリグニンの量と構造の制御や細胞壁成分の存在状態の制御に関する研究開発の現状と将来の可能性について概説する。

【目次】
1. はじめに
2. リグニンの化学構造と機能
3. リグニンの生合成
4. バイオ燃料生産に向けた育種目標と関連するリグニンの性質
5. ケイヒ酸モノリグノール経路の代謝工学
6. リグニン構造の改変
7. リグニン量の制御
8. 細胞壁構成の制御
9. おわりに


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水生植物を用いた水質浄化とバイオマス生産
Biomass Resource Production in Water Purification Processes Utilizing Aquatic Plants

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池道彦(大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 教授)

水生植物を利用して汚濁の進んだ水域の浄化を行う植生浄化法は,極めて経済的で環境適合性が高い,理想的なエコテクノロジーであるが,幾つかの重要な制約があり,必ずしも普及が進んでいない。特に,浄化システムから生じる余剰植物バイオマスの処理・処分は最も大きな問題の一つであるが,逆に,バイオマスを資源として有効利用することができれば,植生浄化の欠点を利点に変えることとなり,より理想的な技術として飛躍的に発展していくことが期待できる。ここでは,環境浄化と資源生産というCo-benefitの達成を目指す“新”植生浄化法のコンセプトについて,筆者らの研究成果を中心に紹介する。

【目次】
1. はじめに
2. 植生浄化法の水質浄化ポテンシャル
3. 余剰植物バイオマスの資源化
4. おわりに:Co-benefitプロセスとしての植生浄化法


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植物油脂から植物樹脂へ
Plant-based Resins from Plant Oils

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宇山浩(大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 教授)

循環型社会構築に向けたバイオマスプラスチックの開発を目的とした植物油脂を基盤とした高分子材料について述べる。植物油脂ポリマーに生分解性ポリエステル,セルロースファイバーなどを複合化することによる,ポリマーの物性・機能の向上が示された。また,植物油脂を核とする多分岐ポリ乳酸を用いた植物ウレタンが開発された。

【目次】
1. はじめに
2. エポキシ化植物油脂を主モノマーとするバイオマスプラスチック
3. 油脂を核とする星型ポリ乳酸
4. おわりに


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バイオマス植物の開発動向
Patents and Development of Gene-Engineered Biomass Plants

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鍋島成泰((株)住化技術情報センター 常務取締役)

需給が急激に拡大しているバイオ燃料の原料バイオマス植物と食糧,飼料との競合を避けるためには,長期的には食糧と競合しないバイオ燃料専用の新しいバイオマス植物の開発が必要であるが,短期的には既存のバイオ燃料用バイオマス植物(穀物や油糧作物)の生産性を増大することが急務である。本稿では,遺伝子組換え技術によるバイオ燃料用バイオマス植物の開発に関する特許動向を概観する。

【目次】
1. はじめに
2. リグノセルロース生産植物の開発
2.1 リグニン含量の改変に関する特許動向
2.2 セルロース,ヘミセルロースの改変に関する特許動向
2.3 セルラーゼによる形態変化に関する特許動向
3. 油糧生産バイオマス植物の開発
3.1 脂肪酸組成の改変に関する特許動向
3.2 植物油総量の増大に関する特許動向
4. ショ糖・デンプン生産バイオマス植物の収量増大に関する特許動向
5. おわりに


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バイオ燃料の課題
Problems of the Renewable Energy

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冷牟田修一(出光興産(株) 中央研究所 環境・バイオ研究室)

炭酸ガス削減のため,省エネの推進や代替エネルギーの開発,利用促進が望まれている。なかでもバイオ燃料はカーボンニュートラルの考え方から,有効な方策の一つとして期待がもたれる。その一方で,コスト高や,食料とのバッティング,環境破壊といった問題点も多く抱えている。本稿では,それらバイオ燃料の課題につき紹介する。

【目次】
1. バイオ燃料導入の背景
2. わが国石油業界の取り組み
3. バイオ燃料の課題
(1) 食料とのバッティング
(2) 環境破壊
(3) 技術的な課題


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BIO R&D

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がん遺伝子Mycを用いない人工多能性幹細胞の作成
Generation of induced pluripotent stem cells without Myc

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小柳三千代(京都大学 再生医科学研究所 再生誘導研究分野 産学官連携研究員)
中川誠人(京都大学 再生医科学研究所 再生誘導研究分野 助教)
山中伸弥(京都大学 物質-細胞統合システム拠点 iPS細胞研究センター センター長;同大学 再生医科学研究所 再生誘導研究分野 教授)

マウスやヒトの線維芽細胞に,がん遺伝子Mycを用いることなく3つの遺伝子(Oct3/4,Sox-2,Klf4)を導入することによって,ES細胞様の多能性を有する細胞を誘導できることがわかった。このiPS細胞(=induced pluripotent stem cells)は,新たな方法として,細胞移植治療への応用が期待されている。

【目次】
1. はじめに
2. マウス第1世代iPS細胞の樹立(Fbx iPS細胞)
3. マウス第2世代iPS細胞の樹立(Nanog iPS細胞)
4. マウス第3世代iPS細胞の樹立(Mycなし3因子iPS細胞)
5. ヒトiPS細胞の樹立
6. iPS細胞の問題点と今後の課題
7. おわりに


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TOPICS

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2007 Annual Scientific Meeting and Technology Showcaseに参加して

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島田邦男(日油(株) ライフサイエンス事業部 ヘルスケア部 化粧品原料担当部長)