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【特集】 バイオマスからの有用物質生産プロセス最前線
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特集にあたって
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近藤昭彦(神戸大学 大学院工学研究科 教授;同大学 統合バイオリファイナリーセンター センター長)
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バイオマスからのバイオ燃料生産に向けた戦略
Strategy for Bio-fuel Production from Lignocellulose
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近藤昭彦(神戸大学 大学院工学研究科 教授;同大学 統合バイオリファイナリーセンター センター長)
荻野千秋(神戸大学 大学院工学研究科 准教授)
蓮沼誠久(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 講師)
田中勉(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 助教)
中島一紀(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 助教)
近年の地球温暖化問題の解決に向け,バイオエタノールへの関心は高まっている。本稿では,酵母細胞表層提示技術を中心としたバイオエタノール製造戦略について解説する。プロセス構築に向けて必要とされる高温での発酵,セルラーゼの比率の最適化,バイオマスの前処理などの解決すべき問題に対する,筆者らの近年の成果を紹介したい。
【目次】
1. はじめに
2. CBPによるバイオエタノール製造に向けた酵母育種
3. 高温でのセルロースからのバイオエタノール生産に適した酵母育種
4. カクテルδインテグレーション法によるセルラーゼ発現バランス最適化酵母の創製
5. 合成生物学による微生物工場の強化
6. イオン液体によるバイオマス前処理
7. おわりに
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セルロース系バイオマスの前処理・酵素糖化法の検討
Pretreatment and Enzymatic Saccharification of Cellulosic Biomass
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小林良則((財)バイオインダストリー協会 つくば研究室 室長)
稲わら,エリアンサス,ユーカリ,杉を対象に水熱,苛性ソーダ,希硫酸処理を行い,これら前処理方法の効果を解析した。標準活性測定法により,各種市販セルラーゼの特性を解析した。各種前処理バイオマスに代表的市販セルラーゼを作用させ,糖化性能を比較評価した。酵素コスト低減の観点から糖化機構の解析を行った。
【目次】
1. はじめに
2. 前処理
2.1 前処理の概要
2.2 希硫酸処理
2.3 苛性ソーダ処理
2.4 水熱処理
2.5 その他の処理
3. 糖化酵素の性質と特性
3.1 酵素活性測定法の標準化
3.2 前処理物の糖化パターン
4. 酵素コスト
5. おわりに
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3-ヒドロキシプロピオン酸と1,3-プロパンジオールの併産
Co-production of 3-Hydroxy Propionate and 1,3-Propanediol
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堀川洋((株)日本触媒 GSC触媒技術研究所 研究員)
向山正治((株)日本触媒 GSC触媒技術研究所 主任研究員)
グリセリンの利用方法について検討を行い,乳酸菌を用いたグリセリンおよびグルコースを炭素源とした発酵により,グリセリンをほぼ定量的に3-HPAcと1,3-PDへと変換できることを見出した。本方法の特徴は,アルデヒドを基質とした不均化反応を利用することでグリセリンを有価物のみに変換できる点である。
【目次】
1. はじめに
2. 嫌気性菌によるグリセリン利用システム―Klebsiella pneumoniae,Lactobacillus reuteriのpduオペロン
3. 1,3-プロパンジオールと3-ヒドロキシプロピオン酸
4. 1,3-PDと3-HPAc併産発酵に必要な酵素遺伝子の取得と大腸菌での発現
5. L.reuteri JCM1112株の培養解析と遺伝子強化
6. L.reuteri JCM1112株での1,3-PDと3-HPAc併産培養
7. 今後の方向
8. おわりに
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D-乳酸,イソプロパノール,グリコール酸生産
Production of D-Lactic Acid,Isopropanol and Glycolic Acid
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和田光史(三井化学(株) 触媒科学研究所 生体触媒技術ユニット 主席研究員)
田脇新一郎(三井化学(株) 触媒科学研究所 所長)
石油枯渇および地球温暖化問題の解決手段として,バイオマス資源からの化学品生産が注目されている。野生型大腸菌の代謝反応ルートを遺伝子レベルで合目的に改変し,目的とする化学品のみを高生産させることが可能となってきた。本稿では,三井化学が現在取り組んでいる有用化学品製造用大腸菌の開発状況について,実例を示しながら概説する。
【目次】
1. はじめに
2. D-乳酸生産大腸菌触媒の開発
3. イソプロパノール(IPA)生産大腸菌触媒の開発
4. グリコール酸生産大腸菌触媒の開発
5. おわりに
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脂肪酸誘導体の合成
Synthesis of Fatty Acid Derivatives
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岸野重信(京都大学 大学院農学研究科 産業微生物学講座 特定助教)
小川順(京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 教授)
バイオリファイナリー技術によりバイオマスから生産される一次化成品原料を,ポリマー原料などの化学工業における基幹合成原料へと変換するための微生物変換・酵素変換技術について,脂肪酸変換への応用が期待される嫌気性細菌ならびに糸状菌の機能を中心に概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 共役化反応
2.1 リノール酸からのCLA生産
2.2 リシノール酸の脱水によるCLA生産
2.3 その他の共役脂肪酸生産
3. 不飽和化反応
4. 飽和化反応
5. 水和反応
6. カルボン酸還元反応
7. おわりに
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微生物産生ポリエステル
Microbial Polyesters
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岩田忠久(東京大学 大学院農学生命科学研究科 生物材料科学専攻 准教授)
柘植丈治(東京工業大学 大学院総合理工学研究科 物質科学創造専攻 准教授)
再生産可能資源(バイオマス)である糖や植物油を炭素源として,150種類以上の様々な脂肪族ポリエステルが微生物により生産されている。この微生物産生ポリエステルは,環境中の他の微生物が分泌する分解酵素によって分解される生分解性プラスチックでもあり,釣り糸や手術用縫合糸,農業用マルチフィルム,コップやお皿などの日用品など,様々な分野での利用が始まっている。
【目次】
1. 微生物産生ポリエステルとは
2. 微生物産生ポリエステルの生合成経路
3. 微生物産生ポリエステルの構造と物性
4. 大腸菌による超高分子量P(3HB)合成
5. 高強度繊維の開発
5.1 超高分子量P(3HB)からの高強度繊維化
5.2 野生株産生PHAからの高強度繊維化
6. PHAの生産事例
7. 環境影響評価と今後の展望
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酵母を利用した高純度乳酸の生産技術
Efficient Production of Lactic Acid with High Optical Purity by Transgenic Yeast
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石田亘広((株)豊田中央研究所 環境材料研究部 バイオ研究室 研究員(農学博士))
CO2循環型社会に貢献できる材料としてポリ乳酸が注目されているが,本格的に展開するためには,物理特性の向上とコスト低減が必要である。今回,従来の乳酸菌による生産法と異なり,遺伝子組換え酵母を用いた新しい高純度乳酸生産技術を開発した。本技術によって,自動車用材料に展開可能な高光学純度乳酸を効率的に生産できる可能性が示された。
【目次】
1. はじめに
2. 従来の乳酸生産技術と課題
3. 組換え酵母による乳酸生産への期待
4. 染色体導入を特徴とする新規なL-LDH遺伝子発現法
5. 代謝工学改変による乳酸生産能の向上
6. 高純度D-乳酸生産技術への応用
7. 新たな展開に向けて
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糖からの芳香族化合物生産
Production of Aromatic Compounds from Glucose
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高久洋暁(新潟薬科大学 応用生命科学部 応用微生物・遺伝子工学研究室 准教授)
脇坂直樹(新潟薬科大学 応用生命科学部 応用微生物・遺伝子工学研究室 研究員)
髙木正道(新潟薬科大学 学長)
これまでに糖からの芳香族化合物の生産技術として,微生物・植物における芳香族アミノ酸生合成に重要なシキミ酸経路を利用した技術と芳香族化合物前駆体2-deoxy-scyllo-inosose(DOI)を合成するDOI合成酵素を利用した技術などが報告されている。本稿では,従来石油から合成されていた芳香族化合物を,組換え大腸菌を利用し,糖からクリーンな新しい技術で生産する上記2技術について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. シキミ酸経路を利用した組換え大腸菌を用いた芳香族化合物生産
2.1 フェノール生産
2.1.1 中心的な炭素代謝経路の改変によるシキミ酸の高生産
2.1.2 芳香族アミノ酸生合成反応経路の改変によるシキミ酸の高生産
2.2 フェノール以外の芳香族化合物の生産
3. 2-deoxy-scyllo-inosose(DOI)合成酵素を導入した組換え大腸菌を用いた芳香族化合物生産
3.1 宿主細胞内におけるDOI合成酵素の持続的な高発現システムの構築
3.2 DOI合成酵素の基質となるグルコース-6-リン酸を優先的にDOI合成酵素に利用させる代謝工学的改変
3.3 DOI生産組換え大腸菌の生育とDOI安定性を考慮した生産プロセスの最適化
3.4 ランダム変異によるDOI合成酵素の機能改変
3.5 バイオマスからのDOI発酵生産
4. おわりに
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BIO R&D
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シリカ結合タンパク質「Si-tag」を利用した半導体バイオ融合デバイスの開発
Integration of Semiconductor and Biotechnology Using the Silica-Binding Protein “Si-Tag”
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池田丈(広島大学 ナノデバイス・バイオ融合科学研究所 特任助教)
横山新(広島大学 ナノデバイス・バイオ融合科学研究所 教授)
黒田章夫(広島大学 大学院先端物質科学研究科 教授)
筆者らが発見したシリカ結合タンパク質「Si-tag」を接着分子として利用することで,半導体であるシリコン基板表面上に任意のタンパク質を固定化することができる。本手法は基板の表面処理を必要としないため,迅速かつ簡便な半導体バイオ融合デバイス作製が可能となる。現在,シリコンリング光共振器と組み合わせたバイオセンシング法の開発を進めており,その成果について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. シリカ結合タンパク質「Si-tag」の発見
3. シリコンバイオ法
4. 半導体バイオ融合デバイスの開発
5. タンパク質のアフィニティー精製法としての利用
6. おわりに
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連載 メディカルバイオ・マネージメント(第3回)
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生活習慣病用薬時代の終焉とオーファンドラッグ時代の到来
Ending Life Habit Disease Drug Age and Coming Orphan Drug Age
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井上良一(ファーマ・マーケティング・コンサルタント)
日本を含む世界の医薬品市場の中で今までの成長をリードしてきた生活習慣病用薬を中心としてきたマス・マーケットの時代は終わりつつある。これからは希少疾患など超ニッチ・マーケットの時代である。これからの医薬品企業はオーファンドラッグの研究開発に取り組むべきであり,すでに数多くのオーファンドラッグは予想外の売上を示し,事業として成り立つことを証明している。
【目次】
1. はじめに
2. 終焉を迎えつつある生活習慣病用薬の時代
2.1 ヒューマンサイエンス振興財団での調査とFDAの新糖尿病薬開発ガイドライン
2.2 ファイザーの脱生活習慣病領域宣言
2.3 生活習慣病用薬は売れるか?
3. 売れているオーファンドラッグ
4. 米国および欧米企業でのオーファンドラッグへの取り組み
4.1 ジェンザイム
4.2 セルジーン
4.3 ノバルティス
4.4 ファイザー
4.5 GSK
5. オーファンドラッグのビジネスモデル
5.1 政府の医薬品産業ビジョン
5.2 ビジネスモデル
5.3 研究開発のあり方
<コラム>
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BIO PRODUCTS
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α-リポ酸
α-Lipoic Acid
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【目次】
1. 概要
2. 製法
3. 生産動向
4. 需要動向
5. 価格
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特集にあたって
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近藤昭彦(神戸大学 大学院工学研究科 教授;同大学 統合バイオリファイナリーセンター センター長)
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バイオマスからのバイオ燃料生産に向けた戦略
Strategy for Bio-fuel Production from Lignocellulose
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近藤昭彦(神戸大学 大学院工学研究科 教授;同大学 統合バイオリファイナリーセンター センター長)
荻野千秋(神戸大学 大学院工学研究科 准教授)
蓮沼誠久(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 講師)
田中勉(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 助教)
中島一紀(神戸大学 自然科学系先端融合研究環 助教)
近年の地球温暖化問題の解決に向け,バイオエタノールへの関心は高まっている。本稿では,酵母細胞表層提示技術を中心としたバイオエタノール製造戦略について解説する。プロセス構築に向けて必要とされる高温での発酵,セルラーゼの比率の最適化,バイオマスの前処理などの解決すべき問題に対する,筆者らの近年の成果を紹介したい。
【目次】
1. はじめに
2. CBPによるバイオエタノール製造に向けた酵母育種
3. 高温でのセルロースからのバイオエタノール生産に適した酵母育種
4. カクテルδインテグレーション法によるセルラーゼ発現バランス最適化酵母の創製
5. 合成生物学による微生物工場の強化
6. イオン液体によるバイオマス前処理
7. おわりに
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セルロース系バイオマスの前処理・酵素糖化法の検討
Pretreatment and Enzymatic Saccharification of Cellulosic Biomass
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小林良則((財)バイオインダストリー協会 つくば研究室 室長)
稲わら,エリアンサス,ユーカリ,杉を対象に水熱,苛性ソーダ,希硫酸処理を行い,これら前処理方法の効果を解析した。標準活性測定法により,各種市販セルラーゼの特性を解析した。各種前処理バイオマスに代表的市販セルラーゼを作用させ,糖化性能を比較評価した。酵素コスト低減の観点から糖化機構の解析を行った。
【目次】
1. はじめに
2. 前処理
2.1 前処理の概要
2.2 希硫酸処理
2.3 苛性ソーダ処理
2.4 水熱処理
2.5 その他の処理
3. 糖化酵素の性質と特性
3.1 酵素活性測定法の標準化
3.2 前処理物の糖化パターン
4. 酵素コスト
5. おわりに
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3-ヒドロキシプロピオン酸と1,3-プロパンジオールの併産
Co-production of 3-Hydroxy Propionate and 1,3-Propanediol
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堀川洋((株)日本触媒 GSC触媒技術研究所 研究員)
向山正治((株)日本触媒 GSC触媒技術研究所 主任研究員)
グリセリンの利用方法について検討を行い,乳酸菌を用いたグリセリンおよびグルコースを炭素源とした発酵により,グリセリンをほぼ定量的に3-HPAcと1,3-PDへと変換できることを見出した。本方法の特徴は,アルデヒドを基質とした不均化反応を利用することでグリセリンを有価物のみに変換できる点である。
【目次】
1. はじめに
2. 嫌気性菌によるグリセリン利用システム―Klebsiella pneumoniae,Lactobacillus reuteriのpduオペロン
3. 1,3-プロパンジオールと3-ヒドロキシプロピオン酸
4. 1,3-PDと3-HPAc併産発酵に必要な酵素遺伝子の取得と大腸菌での発現
5. L.reuteri JCM1112株の培養解析と遺伝子強化
6. L.reuteri JCM1112株での1,3-PDと3-HPAc併産培養
7. 今後の方向
8. おわりに
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D-乳酸,イソプロパノール,グリコール酸生産
Production of D-Lactic Acid,Isopropanol and Glycolic Acid
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和田光史(三井化学(株) 触媒科学研究所 生体触媒技術ユニット 主席研究員)
田脇新一郎(三井化学(株) 触媒科学研究所 所長)
石油枯渇および地球温暖化問題の解決手段として,バイオマス資源からの化学品生産が注目されている。野生型大腸菌の代謝反応ルートを遺伝子レベルで合目的に改変し,目的とする化学品のみを高生産させることが可能となってきた。本稿では,三井化学が現在取り組んでいる有用化学品製造用大腸菌の開発状況について,実例を示しながら概説する。
【目次】
1. はじめに
2. D-乳酸生産大腸菌触媒の開発
3. イソプロパノール(IPA)生産大腸菌触媒の開発
4. グリコール酸生産大腸菌触媒の開発
5. おわりに
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脂肪酸誘導体の合成
Synthesis of Fatty Acid Derivatives
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岸野重信(京都大学 大学院農学研究科 産業微生物学講座 特定助教)
小川順(京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 教授)
バイオリファイナリー技術によりバイオマスから生産される一次化成品原料を,ポリマー原料などの化学工業における基幹合成原料へと変換するための微生物変換・酵素変換技術について,脂肪酸変換への応用が期待される嫌気性細菌ならびに糸状菌の機能を中心に概説する。
【目次】
1. はじめに
2. 共役化反応
2.1 リノール酸からのCLA生産
2.2 リシノール酸の脱水によるCLA生産
2.3 その他の共役脂肪酸生産
3. 不飽和化反応
4. 飽和化反応
5. 水和反応
6. カルボン酸還元反応
7. おわりに
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微生物産生ポリエステル
Microbial Polyesters
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岩田忠久(東京大学 大学院農学生命科学研究科 生物材料科学専攻 准教授)
柘植丈治(東京工業大学 大学院総合理工学研究科 物質科学創造専攻 准教授)
再生産可能資源(バイオマス)である糖や植物油を炭素源として,150種類以上の様々な脂肪族ポリエステルが微生物により生産されている。この微生物産生ポリエステルは,環境中の他の微生物が分泌する分解酵素によって分解される生分解性プラスチックでもあり,釣り糸や手術用縫合糸,農業用マルチフィルム,コップやお皿などの日用品など,様々な分野での利用が始まっている。
【目次】
1. 微生物産生ポリエステルとは
2. 微生物産生ポリエステルの生合成経路
3. 微生物産生ポリエステルの構造と物性
4. 大腸菌による超高分子量P(3HB)合成
5. 高強度繊維の開発
5.1 超高分子量P(3HB)からの高強度繊維化
5.2 野生株産生PHAからの高強度繊維化
6. PHAの生産事例
7. 環境影響評価と今後の展望
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酵母を利用した高純度乳酸の生産技術
Efficient Production of Lactic Acid with High Optical Purity by Transgenic Yeast
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石田亘広((株)豊田中央研究所 環境材料研究部 バイオ研究室 研究員(農学博士))
CO2循環型社会に貢献できる材料としてポリ乳酸が注目されているが,本格的に展開するためには,物理特性の向上とコスト低減が必要である。今回,従来の乳酸菌による生産法と異なり,遺伝子組換え酵母を用いた新しい高純度乳酸生産技術を開発した。本技術によって,自動車用材料に展開可能な高光学純度乳酸を効率的に生産できる可能性が示された。
【目次】
1. はじめに
2. 従来の乳酸生産技術と課題
3. 組換え酵母による乳酸生産への期待
4. 染色体導入を特徴とする新規なL-LDH遺伝子発現法
5. 代謝工学改変による乳酸生産能の向上
6. 高純度D-乳酸生産技術への応用
7. 新たな展開に向けて
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糖からの芳香族化合物生産
Production of Aromatic Compounds from Glucose
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高久洋暁(新潟薬科大学 応用生命科学部 応用微生物・遺伝子工学研究室 准教授)
脇坂直樹(新潟薬科大学 応用生命科学部 応用微生物・遺伝子工学研究室 研究員)
髙木正道(新潟薬科大学 学長)
これまでに糖からの芳香族化合物の生産技術として,微生物・植物における芳香族アミノ酸生合成に重要なシキミ酸経路を利用した技術と芳香族化合物前駆体2-deoxy-scyllo-inosose(DOI)を合成するDOI合成酵素を利用した技術などが報告されている。本稿では,従来石油から合成されていた芳香族化合物を,組換え大腸菌を利用し,糖からクリーンな新しい技術で生産する上記2技術について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. シキミ酸経路を利用した組換え大腸菌を用いた芳香族化合物生産
2.1 フェノール生産
2.1.1 中心的な炭素代謝経路の改変によるシキミ酸の高生産
2.1.2 芳香族アミノ酸生合成反応経路の改変によるシキミ酸の高生産
2.2 フェノール以外の芳香族化合物の生産
3. 2-deoxy-scyllo-inosose(DOI)合成酵素を導入した組換え大腸菌を用いた芳香族化合物生産
3.1 宿主細胞内におけるDOI合成酵素の持続的な高発現システムの構築
3.2 DOI合成酵素の基質となるグルコース-6-リン酸を優先的にDOI合成酵素に利用させる代謝工学的改変
3.3 DOI生産組換え大腸菌の生育とDOI安定性を考慮した生産プロセスの最適化
3.4 ランダム変異によるDOI合成酵素の機能改変
3.5 バイオマスからのDOI発酵生産
4. おわりに
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BIO R&D
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シリカ結合タンパク質「Si-tag」を利用した半導体バイオ融合デバイスの開発
Integration of Semiconductor and Biotechnology Using the Silica-Binding Protein “Si-Tag”
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池田丈(広島大学 ナノデバイス・バイオ融合科学研究所 特任助教)
横山新(広島大学 ナノデバイス・バイオ融合科学研究所 教授)
黒田章夫(広島大学 大学院先端物質科学研究科 教授)
筆者らが発見したシリカ結合タンパク質「Si-tag」を接着分子として利用することで,半導体であるシリコン基板表面上に任意のタンパク質を固定化することができる。本手法は基板の表面処理を必要としないため,迅速かつ簡便な半導体バイオ融合デバイス作製が可能となる。現在,シリコンリング光共振器と組み合わせたバイオセンシング法の開発を進めており,その成果について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. シリカ結合タンパク質「Si-tag」の発見
3. シリコンバイオ法
4. 半導体バイオ融合デバイスの開発
5. タンパク質のアフィニティー精製法としての利用
6. おわりに
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連載 メディカルバイオ・マネージメント(第3回)
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生活習慣病用薬時代の終焉とオーファンドラッグ時代の到来
Ending Life Habit Disease Drug Age and Coming Orphan Drug Age
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井上良一(ファーマ・マーケティング・コンサルタント)
日本を含む世界の医薬品市場の中で今までの成長をリードしてきた生活習慣病用薬を中心としてきたマス・マーケットの時代は終わりつつある。これからは希少疾患など超ニッチ・マーケットの時代である。これからの医薬品企業はオーファンドラッグの研究開発に取り組むべきであり,すでに数多くのオーファンドラッグは予想外の売上を示し,事業として成り立つことを証明している。
【目次】
1. はじめに
2. 終焉を迎えつつある生活習慣病用薬の時代
2.1 ヒューマンサイエンス振興財団での調査とFDAの新糖尿病薬開発ガイドライン
2.2 ファイザーの脱生活習慣病領域宣言
2.3 生活習慣病用薬は売れるか?
3. 売れているオーファンドラッグ
4. 米国および欧米企業でのオーファンドラッグへの取り組み
4.1 ジェンザイム
4.2 セルジーン
4.3 ノバルティス
4.4 ファイザー
4.5 GSK
5. オーファンドラッグのビジネスモデル
5.1 政府の医薬品産業ビジョン
5.2 ビジネスモデル
5.3 研究開発のあり方
<コラム>
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BIO PRODUCTS
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α-リポ酸
α-Lipoic Acid
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【目次】
1. 概要
2. 製法
3. 生産動向
4. 需要動向
5. 価格
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