Transcript 発酵による有用物質の生産

発酵による有用物質の生産
アミノ酸発酵
ビールは大麦から
味の素はサトウキビから
ビール
デンプンの糖化
大麦
麦芽
煮汁
エタノール
麦芽糖
ビール酵母（Saccharomyces cereviciae）
味の素
砂糖
サトウキビ
糖蜜
廃糖蜜
ショ糖
グルタミン酸
Corynebacterium glutamicum
一次代謝産物
生物が生産し，その生物の個体維持，種族維持に必
須な役割を持つ有機化合物
アミノ酸，核酸，脂肪酸など
多くの生物種に共通の生合成系
二次代謝産物
生物が生産し，その生物の個体維持，種族維持に必
須な役割を持たない有機化合物
抗生物質，色素，アルカロイドなど
その生物種に独自の生合成系
グルタミン酸発酵
Corynebacterium glutamicum
NH3
NADH
HOOC
HOOC
COOH
NH2
O
α−オキソグルタル酸
COOH
グルタメート
デヒドロゲナーゼ
L-グルタミン酸
グルコース
ホスホエノールピルビン酸
CO2
ピルビン酸
アセチル−CoA
クエン酸
オキサロ酢酸
アンモニア
α−オキソグルタル酸
TCA回路
グルタミン酸
アミノ酸生合成の代謝調節
フィードバック阻害による生合成の調節
コリスミン酸
鍵酵素
L-トリプトファン
アントラニル酸
合成酵素
COOH
O
OH
COOH
NH2
アントラニル酸
プレフェン酸
チロシン
フィードバック阻害
フェニルアラニン
COOH
COOH
N
H
NH2
協奏フィードバック阻害によるリシン生合成調節
L-メチオニン
鍵酵素
L-アスパラギン酸
HOOC
OHC
アスパルト
キナーゼ
COOH
NH2
COOH
L-ホモセリン
β−セミアルデヒド
COOH
NH2
H3CS
L-アスパラギン酸
HO
NH2
COOH
OH
NH2
H3C
COOH
NH2
L-トレオニン
H2N
COOH
L-リシン
NH2
協奏フィードバック阻害
リプレッションによる生合成調節
コリプレッサー
（トリプトファン）
アポリプレッサー
リプレッサー
トリプトファン生合成遺伝子
プロモーター
アテニュエーションによる生合成調節
・原核生物では転写の最中に翻訳が始まる
・タミネーターヘアピンの形成により転写は終結する
ヒスチジン不足
リーダーペプチド
転写
MTRVQFKHHHHHHHPD
ヒスチジン生合成遺伝子
mRNA
リボソーム
弱い対合
ヒスチジン過剰
MTRVQFKHHHHHHHPD
タミネーターヘアピン
代謝制御発酵
前駆体添加による生産
トリプトファン発酵・・・アントラニル酸添加
アナログ耐性変異によるフィードバック調節の解除
リシン発酵・・・リシンアナログの耐性変異
栄養要求変異によるフィードバック調節の解除
リシン発酵・・・トレオニン生合成酵素の欠失変異
生産物の細胞外への排出
グルタミン酸発酵・・・ビオチン制御
前駆体添加によるトリプトファン発酵
アントラニル酸添加
L-トリプトファン
アントラニル酸
合成酵素
COOH
O
COOH
NH2
OH
コリスミン酸
COOH
COOH
アントラニル酸
フィードバック阻害
Hansenula anomala
N
H
NH2
前駆体添加によるトレオニン発酵
L-ホモセリン添加
L-トレオニン
アスパルト
キナーゼ
HOOC
OH
COOH
OHC
NH2
COOH
HO
COOH
H3C
NH2
NH2
L-ホモセリン
H2N
COOH
L-リシン
NH2
協奏フィードバック阻害
Proteus rettgeri
COOH
NH2
アナログ耐性変異株によるトレオニン発酵
L-トレオニン
変異
HOOC
OH
COOH
COOH
OHC
NH2
HO
COOH
H3C
NH2
アスパルト
キナーゼ
NH2
NH2
2-ヒドロキシノルバリン
OH
H2N
COOH
L-リシン
H3C
NH2
協奏フィードバック阻害
Brevibacterium flavum
COOH
COOH
NH2
アナログ耐性変異株によるリシン発酵
L-トレオニン
変異
HOOC
OH
COOH
OHC
NH2
COOH
ホモセリン
デヒドロゲナーゼ
NH2
COOH
H2N
NH2
協奏フィードバック阻害
Corynebacterium glutamicum
COOH
NH2
S-(2-アミノエチル)-L-システイン
L-リシン
H2N
COOH
H3C
NH2
アスパルト
キナーゼ
HO
S
COOH
NH2
栄養要求変異株によるリシン発酵
ホモセリン
要求変異株
欠損
HOOC
COOH
OHC
NH2
COOH
H2N
COOH
ホモセリン
デヒドロゲナーゼ
NH2
COOH
L-リシン
OH
H3C
NH2
アスパルト
キナーゼ
HO
L-トレオニン
NH2
協奏フィードバック阻害
Corynebacterium glutamicum
COOH
NH2
アナログ耐性・栄養要求変異株によるリシン発酵
欠損
変異
HOOC
COOH
OHC
NH2
COOH
COOH
ホモセリン
デヒドロゲナーゼ
NH2
COOH
H2N
NH2
協奏フィードバック阻害
Corynebacterium glutamicum
COOH
NH2
S-(2-アミノエチル)-L-システイン
L-リシン
H2N
HO
OH
H3C
NH2
アスパルト
キナーゼ
L-トレオニン
ホモセリン
要求変異株
S
COOH
NH2
生産物の細胞外への排出
グルタミン酸発酵 Corynebacterium glutamicum
過剰のグルタミン酸
フィードバック阻害
グルタメートデヒドロゲナーゼ
生育因子ビオチンを制限して培養
膜の透過性変化
グルタミン酸を排出
細胞内グルタミン酸濃度低下
フィードバック阻害の解除
微生物酵素によるアミノ酸の生産
微生物酵素によるアスパラギン酸とアラニンの製造
フマル酸
E. coli 菌体
COOH
HOOC
HOOC
+
NH3
Pseudomonas
dacunhae
菌体
アスパルターゼ
COOH
NH2
アスパラギン酸
β−デカルボキシラーゼ
L-アスパラギン酸
H3C
COOH
NH2
L-アラニン
微生物酵素によるシステインの製造
Pseudomonas thiazolinophilum
SCCヒドロラーゼ
L-ATCヒドロラーゼ
COOH
COOH
O
S
S
N
N
H 2N
H 2N
DL-2-アミノチアゾリン-
4-カルボン酸
（DL-ATC）
ATCラセマーゼ
D-ATC
+ HN
2
S
COOH
NH2
S-カルバモイルL-システイン
（SCC）
HS
COOH
NH2
L-システイン
微生物酵素によるセリンの製造
メタノール資化性菌
Hyphomicrobium methylovorum
静止菌体
H2N
COOH
+
HCHO
HO
COOH
NH2
グリシン
ホルムアルデヒド
セリン
ヒドロキシメチル
トランスフェラーゼ
L-セリン
微生物酵素によるアミノ酸の光学分割
Aspergillus oryzae
アミノアシラーゼ
H3CS
COOH
H3CS
COOH
H3CS
COOH
+
NHCOCH3
NHCOCH3
N-アセチルD-メチオニン
N-アセチルDL-メチオニン
Streptomyces sp.
N-アシルアミノ酸
ラセマーゼ
NH2
L-メチオニン
核酸発酵
O
O
N
HN
N
N
H2O3PO
N
HN
H2N
H2O3PO
O
O
HO
N
N
HO
OH
イノシン酸（IMP）
カツオ節の旨味成分
OH
グアニル酸（GMP）
シイタケの旨味成分
・細胞膜を透過しにくい
・分解酵素の活性が高い
酵素分解法
Penicillium citrinum
5'−ホスホジエステラーゼ
酵母RNA
AMP，GMP
UMP，CMP
Aspergillus melleus
AMPデアミナーゼ
AMP
IMP
P O
核酸発酵における
代謝調節
フィードバック
阻害
O
O PP
HO OH
PRPP
アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ
P O
O
NH2
フィードバック
阻害
5-ホスホリボシル1-アミン
HO OH
COOH
HOOC
NH2
N
N
N
N
R P
AMP
アデニロコハク酸
合成酵素
NH
N
N
HN
N
N
SAMP
N
O
IMP
ヌクレオチダーゼ
O
N
HN
R P
R P
GMP
レダクターゼ
O
O
N
N
GMP
合成酵素
IMP
デヒドロゲナーゼ
N
H
N
H2N
XMP
N
N
イノシン
R
ヌクレオシダーゼ
ヒポキサンチン
フィードバック
阻害
IMP
R P
GMP
ヌクレオチダーゼ
O
N
N
N
R P
O
HN
N
HN
N
HN
H2N
N
N
R
グアノシン
栄養要求変異株によるイノシン発酵
PRPP
アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ
フィードバック
阻害
フィードバック
阻害
アデニロコハク酸
合成酵素
AMP
SAMP
IMP
デヒドロゲナーゼ
IMP
XMP
欠損
アデニン
要求変異株
欠損
O
イノシン
N
HN
N
Corynebacterium ammoniagenes
Bacillus subtilis
キサンチン
要求変異株
N
R
欠損
ヌクレオシダーゼ
ヒポキサンチン
GMP
栄養要求・アナログ耐性変異株によるグアノシン発酵
Corynebacterium ammoniagenes，Bacillus subtilis
PRPP
変異
アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ
フィードバック
阻害
フィードバック
阻害
アデニロコハク酸
合成酵素
AMP
SAMP
IMP
アデニン
要求変異株
N
N
N
H
8-aza-GMP
IMP
欠損
O
N
HN
N
HN
H2N
変異
フィードバック
阻害
O
GMP
レダクターゼ
GMP
XMP
変異
欠損
GMP
合成酵素
IMP
デヒドロゲナーゼ
H2N
N
N
R
グアノシン
8-アザグアニン
微生物酵素によるヌクレオシドのリン酸化
O
O
R
HO
Morganella morganii
酸性ホスファターゼ
N
HN
N
N
N
HN
R
H2O3PO
O
O
HO
N
N
OH
ピロリン酸
イノシン
R=H
グアノシン R = NH2
リン酸
HO
OH
イノシン酸 R = H
グアニル酸 R = NH2
プリンヌクレオチド発酵
Corynebacterium ammoniagenes
ヌクレオチダーゼ活性弱い
アデニロコハク酸
合成酵素
AMP
SAMP
GMP
合成酵素
IMP
GMP
XMP
2+
Mn
2+
Mn 制限下
欠損
欠損
非感受性株
アデニン
要求変異株
培地中
O
O
N
HN
N
グアニン
要求変異株
培地中
N
R
N
HN
O
P
N
H
N
R
P
複合細胞反応によるヌクレオチド製造
Corynebacterium ammoniagenes 菌体（界面活性剤処理）
グルコース
CO2
ATP
イノシン
イノシンキナーゼ
グルコース
CO2
ATP
ADP
IMP
XMP
XMPアミナーゼ
E. coli 菌体（界面活性剤処理）
ADP
GMP
糖質発酵
ペントースリン酸経路とリボース発酵，エリトリトール発酵
キシルロース セドヘプチュロース
5ｰリン酸
7ｰリン酸
CH2OH
C O
HO CH
HC OH
CH2OPO3H2
グルコース
CH2OH
C O
HO CH
HC OH
HC OH
トランス HC OH
CH2OPO3H2
CH2OH
C O
HC OH
HC OH
CH2OPO3H2
リブロース
5ｰリン酸
フルクトース
6ｰリン酸
要求変異株
CH2OH
C O
HO CH
HC OH
HC OH
CH2OPO3H2
Trp
COOH
ケトラーゼ
Phe
HO
OH
OH
CHO
欠損
HC OH
HC OH
HC OH
CH2OPO3H2
リボース
5ｰリン酸
B. subtilis
シキミ酸
CHO
HC OH
CH2OPO3H2
グリセルアルデヒド
3ｰリン酸
CHO
HC OH
HC OH
CH2OPO3H2
エリトロース
4ｰリン酸
Aureobasidium sp.
D-エリトロース
CH2OH
HC OH
HC OH
CH2OH
D-リボース
医薬品合成原料
Tyr
エリトリトール
甘味料
ソルボース発酵
Gluconobacter oxydans
CH2OH
CH2OH
HC
合成
D-グルコース
HO
HC
OH
HO
CH
CH
HC
OH
HC
HC
OH
C
CH2OH
D-ソルビトール
OH
OH
O
CH2OH
L-ソルボース
合成
L-アスコルビン酸
マンニトール発酵
Lactobacillus intermedius
CH2OH
C
HO
O
CH
CH2OH
HO
CH
HO
CH
HC
OH
HC
OH
HC
OH
HC
OH
CH2OH
D-フルクトース
CH2OH
D-マンニトール
医薬（利尿薬）
化粧品保湿剤
甘味料
グルコサミン発酵
Aspergillus niger
加水分解
HO
トウモロコシデンプン
菌体細胞壁キチン
HO
HO
O
H2N
OH
D-グルコサミン
植物から生まれた発酵グルコサミン ？
健康補助食品
植物由来のグルコサミン ？？
植物由来の原料から抽出したグルコサミン ？？？
微生物酵素による糖質の生産
フルクトースの製造
HO
O
OH
HO
D-グルコース
グルコースイソメラーゼ
Streptomyces griseofuscus
OH
HO
D-フルクトース
甘味料
フラクトオリゴ糖の製造
HO
O
HO
α-D-グルコース
HO
HO
HO
O
O
β-D-フルクトース
HO
スクロース
O
インベルターゼ
HO OH
O
Aspergillus niger
HO
β-D-フルクトース
OH
OH
1-ケストース（フラクトオリゴ糖の1成分）
甘味料
腸内でビフィズス菌を増殖
トレハロースの製造
HO
HO
HO
O
α-D-グルコース
HO
デンプン
マルトオリゴシル マルトオリゴシル
トレハロース
トレハロース
合成酵素
トレハヒドロラーゼ
Arthrobacter sp.
HO
HO
HO
O
α-D-グルコース
O
HO
トレハロース
甘味料
保湿剤
タンパク質保護剤
シクロデキストリンの製造
HO
O
Bacillus stearothermophilus
O
HO
O HO
HO
HO
シクロマルトデキストリン
グルカノトランスフェラーゼ
デンプン
O
OH HO
O
HO
OH
O
O
HO
内部：疎水性
外部：親水性
OH
OH
OH O
疎水性の物質を包接 → 水に溶解
不安定物質を保護
α-D-グルコース×6
α-D-グルコース×7
α-D-グルコース×8
O
OH
OH
OH HO
O
O
O
OH
αｰシクロデキストリン
βｰシクロデキストリン
γｰシクロデキストリン
イソマルチュロースの製造
Protaminobacter rubrum
α－グルコシル
トランスフェラーゼ
スクロース
HO
HO
HO
O
α-D-グルコース
HO
O
O
OH
D-フルクトース
HO
OH
HO
イソマルチュロース（パラチノース）
虫歯菌（Streptococcus mutans）に利用されにくい甘味料
発酵による多糖生産
多糖類
構成糖
発酵微生物
用途
デキストラン
α-1,6ｰグルカン
Leuconostoc
mesenteroides
血漿増量剤
クロマトグラフィー用樹脂
プルラン
α-1,4/1,6ｰグルカン
Aureobasidium
pullulans
食品，製剤用のフィルム，
化粧品
ヒアルロン酸
D-グルクロン酸
Streptococcus
zooepidemicus
化粧品，眼科手術補助剤，
整形外科用注射剤，創傷の被覆剤
N-アセチル-D-グルコサミン
セルロース
β-1,4ｰグルカン
Acetobacter
xylinum
スピーカーの振動板
キサンタンガム
D-グルコース，D-マンノース
Xanthomonas
campestris
化粧品，アイスクリーム用増粘剤
D-グルクロン酸
その他の有用物質の生産
アルコール発酵
Saccharomyces cerevisiae
糖質原料
（サトウキビ，テンサイ）
デンプン質原料
（トウモロコシ，麦）
糖化
エタノール
酵素
アセトン・ブタノール発酵
デンプン
エタノール
Clostridium acetobutylicum
ピルビン酸
アセトアセチルCoA
エタノール
アセトン
ブタノール
有機酸発酵
生産物
発酵微生物
用途
クエン酸
Aspergillus niger
医薬，酸味料
グルコン酸
Aspergillus niger
医薬，食品用pH調整剤
ピルビン酸
Torulopsis glabrata
医薬，農薬，香料の原料
γ-リノレン酸
Mucor属
健康補助食品，化粧品
アラキドン酸
Mortierella alpina
健康補助食品
酢酸
Acetobacter aceti
乳酸
Lactobacillus delbrueckii
フマル酸
Rhizopus nigricans
コハク酸
Mucor rouxii
発酵によるビタミン・補酵素の生産
生産物
発酵微生物
用途
ビタミンB2
Ashbya gossypii
Candida famata
Bacillus subtilis遺伝子組換え体
医薬品，栄養補助食品，
食品添加物，飼料添加物
ビタミンB12
Pseudomonas denitrificans
Propionibacterium shermanii
Propionibacterium freudenreichii
医薬品，栄養補助食品，
食品添加物，飼料添加物
コエンザイムQ10
酵母
Rhodobacter sphaeroides
医薬品，健康食品，
化粧品
農業用・家畜用抗生物質
抗イネいもち病菌薬
NH2
ブラストサイジンS
NH
HOOC
H3C NH2
O
N
H
HO
N
Streptomyces griseochromogenes
HO
OH
O
N
COOH
O
O
HO
CH3
OH
H2N
カスガマイシン
Streptomyces kasugaensis
N
NH
NH
NH2
O
抗イネ紋枯病菌薬
OH
HO
HO
HO
OH
バリダマイシン
HO
HN
O
HO
HO
OH
O
OH
OH
Streptomyces hygroscopicus
抗うどんこ病・灰色かび病菌薬
O
ポリオキシンB
Streptomyces cacaoi var. asoensis
O
H2N
CH2OH
HN
OH
O
O
O
COOH
N
H
OH
N
NH2
O
H
HO
OH
植物ホルモン
O
H
ジベレリンA3
CO
HO
OH
H
CH3
COOH
Gibberella fujikuroi
イネばか苗病菌
種無しブドウの生産，果実の落下防止，成長促進
ニワトリ コクシジウム病（原虫）治療薬
OH
H3CO
HOOC
H
O
O
H
O
H
O
H
H
O
OH
OH
モネンシン
Streptomyces cinnamonensis
OH
HOOC
H
O
H
O
OH
O
H
O
サリノマイシン
Streptomyces albus
ポリエーテル系抗生物質
O
OH
H
O
イオノフォア
細胞膜：脂質二重膜
O
親水性のイオンは通過できない
O
O
O
Na+
O
O
O
O
O
O
O
モネンシン
分子の外側−親油性
分子の内側−親水性
イオンを包み込んで細胞膜通過
飼料添加用抗生物質による耐性菌の出現
抗グラム陽性菌抗生物質→家畜成長促進作用
ポリエーテル・・・モネンシン，サリノマイシン，ラサロシド
チオペプチド・・・チオペプチン，ノシヘプタイド
グリコペプチド・・・アボパルシン
環状ペプチド・・・バシトラシン，バージニアマイシン
アボパルシン（バンコマイシン類似構造）
↓
バンコマイシン耐性腸球菌（VRE）
EUでは使用禁止
除草剤
グルタミンシンターゼ
CH3
PO2H
COOH
O
H
N
H2N
O
NH3
CONH2
CH3
N
H
COOH
CH3
H2N
COOH
H2N
L-Glu
CH3
PO2H
ビアラホス
Streptomyces hygroscopicus
H2N
COOH
ホスフィノトリシン
COOH
L-Gln
微生物が生産する阻害剤
研究用試薬として用いられる微生物由来阻害剤
阻害剤
阻害標的
主な生産菌
アフィディコリン
DNA合成
Cephalosporium aphidicola
アクチノマイシンD
RNA合成
Streptomyces parvullus
シクロヘキシイミド
タンパク質合成（真核生物）
Streptomyces griseus
ピューロマイシン
タンパク質合成（原核生物）
Streptomyces alboniger
アンチマイシンA
呼吸（complex III）
Streptomyces olivochromogenes
オリゴマイシン
呼吸（F1FO-ATPアーゼ）
Streptomyces diastatochromogenes
バフィロマイシンA1
V-ATPアーゼ
Streptomyces griseus
スタウロスポリン
プロテインキナーゼ
Streptomyces staurosporeus
ウォルトマンニン
PI3キナーゼ
Penicillium wortmanni
トリコスタチンA
ヒストンデアセチラーゼ
Streptomyces hygroscopicus
ラクタシスチン
プロテアソーム
Streptomyces lactacystinaeus
ツニカマイシン
タンパク質糖鎖合成
Streptomyces lysosuperficus
微生物酵素の利用
医療用酵素
酵素
生産菌
酵素反応
用途
L-アスパラギナーゼ
Escherichia coli
アスパラギン分解
白血病，リンパ腫治療薬
デキストラナーゼ
Chaetomium erraticum
デキストラン分解
虫歯予防
コレステロールオキシダーゼ Brevibacterium sterolicum コレステロール酸化
血中コレステロール測定
グルコースオキシダーゼ
Aspergillus niger
グルコース酸化
血中グルコース測定
ウリカーゼ
Candida utilis
尿酸酸化
血中尿酸測定
産業用酵素
酵素
生産菌
酵素反応
用途
アルカリプロテアーゼ
Bacillus licheniformis
タンパク質分解
洗剤
アルカリセルラーゼ
Bacillus sp.
セルロース分解
洗剤
リパーゼ
Thermomyces lanuginosus
脂質分解
洗剤
α-アミラーゼ
Bacillus licheniformis
デンプン加水分解
デンプン液化
β-アミラーゼ
Aspergillus oryzae
デンプン加水分解
マルトース製造
プルラナーゼ
Bacillus brevis
デンプン側鎖分解
マルトース製造
グルコアミラーゼ
Aspergillus niger
デンプン加水分解
グルコース製造
セルラーゼ
Trichoderma reesei
セルロース加水分解
食品加工，繊維処理
凝乳プロテアーゼ
Rhizomucor pusillus
凝乳
チーズ製造
微生物酵素による化合物変換
ニトリルヒドラターゼによるアミドの生産
CN
アクリロニトリル
CONH2
アクリルアミド
Pseudomonas chlororaphis 静止菌体
400 g/L
Rhodococcus rhodochrous 静止菌体
650 g/L
CN
N
3-シアノピリジン
CONH2
N
ニコチンアミド
パントテン酸の製造
H3C
H3C
HO
Fusarium oxysporum
ラクトナーゼ
O
O
DL-パントラクトン
H3C
CH3
HO
H3C
COOH
OH
D-パントイン酸
CH3 O
HO
N
H
OH
パントテン酸
COOH
アスパルテームの製造
H
N
O
COOH
O
+
H2N
COOH
COOCH3
DL-フェニルアラニン
Z-L-アスパラギン酸
メチルエステル
Bacillus
サーモリシン
thermoproteolyticus
ラセミ化
O
H
N
O
O
Z-アスパルテーム
N
H
COOH
COOCH3
+
H2N
COOCH3
D-フェニルアラニン
メチルエステル
アスパルテーム