研究概要 (Research outline)

木質バイオマス（リグノセルロースバイオマス）は、地球上に最も多く存在する有機資源で、空気中の二酸化炭素が光合成によって固定されて作られています。したがって、リグノセルロースバイオマスを石油などの化石資源に代替して活用すれば、温暖化効果を有する二酸化炭素の人為的排出の削減が期待できます。また、リグノセルロースは食物や家畜の飼料にも含まれており、食物繊維として腸内細菌叢のエサとなるプレバイオティクス効果や抗酸化、免疫賦活化作用など、様々な機能性を持っています。当研究室では、リグノセルロースバイオマスを構成する成分や、植物に含まれる微量な生理活性有用成分（植物二次代謝成分；ファイトケミカル）の化学構造、生合成、代謝、機能、利用に関する研究を行っています。得られた知見を活用して、使いやすいリグノセルロースバイオマスや、より高機能・高付加価値なリグノセルロースバイオマス、あるいは機能性食品などを作り出し、社会に役立てることを目標としています。

具体的な研究内容

ヘミセルロースの一種、キシランの化学構造、生合成、改変に関する研究

ヘミセルロースは、セルロース、リグニンとともに主要なリグノセルロースバイオマスの主要成分の一つです。なかでも、キシランは、単糖であるキシロースが多数β-(1,4)結合して出来ているポリマーで、双子葉植物や単子葉植物の主要なヘミセルロース成分の一種です。キシランは、上の図に示すようにリグニンやセルロースと共有結合や水素結合を介して結合しており、超分子構造をとっています。この点がリグノセルロースバイオマスの利用を妨げている要因の一つであり、この超分子構造を遺伝的に改変することで、それぞれの成分が利用しやすくなると考えられます。

そのためにはキシランの生合成メカニズムについて、深く知る必要があります。これまでの研究では、キシランは、グリコシルトランスフェラーゼファミリー43 (GT43)に属するIRX9およびIRX14というタンパク質と、グリコシルトランスフェラーゼファミリー47(GT47)に属するIRX10というタンパク質が、キシラン合成酵素複合体を形成し、UDP-キシロースという基質から、β-(1,4)結合したキシランポリマーを合成するというモデルが提案されています。また、双子葉植物と裸子植物のキシラン主鎖還元末端には、キシロース、ラムノース、ガラクツロン酸から構成される特殊な構造をしたオリゴ糖が付加(下図)しておりますが、このオリゴ糖の植物にとっての役割は全く分かっていません。そこで、それぞれのタンパク質の役割を明らかにするため、生化学、遺伝子工学、有機合成化学、有機分析化学、バイオインフォマティクスなどの手法を駆使して解析を進めています。

(グルクロノキシランの還元末端：キシロース、ラムノース、ガラクツロン酸、キシロースから成る。黒部分がキシロース主鎖)

さらに、キシランは植物の系統（イネ科、双子葉植物、裸子植物など）によって異なる側鎖糖鎖を有しています。例えば、グルクロン酸、メチルグルクロン酸、アラビノフラノースなどが側鎖糖鎖として結合しており、さらにイネ科植物では、フェルラ酸などの芳香族化合物が結合し、フェルラ酸を介してリグニンにも結合しています。当研究室では、これらの側鎖修飾機構についても解明し、ゲノム編集法を用いて、これらの合成に関わる遺伝子を改変することにより、新規構造や機能を持ったキシランを作り出すことを目標としています。

イネ科植物である麦類ではキシランにアラビノースとフェルラ酸が側鎖に結合したフェルロイルアラビノキシランと呼ばれるキシランの一種が多く存在し、私達が食べる麦類の種子にも多く含まれています。コムギの製粉特性に影響しているほか、プレバイオティクスとして腸内細菌のエサとなり、さらに分解して生成したオリゴ糖やフェルラ酸は免疫賦活化や抗酸化性を示し、オオムギのβ-グルカンに続く第二の機能性多糖として注目されています。私たちは、フェルロイルアラビノキシランの中心構造であるフェルラ酸、アラビノースの転移酵素遺伝子の機能解析を進め、機能性の高い麦類の品種作出やそれをベースとした機能性食品開発に役立てたいと思っています。

腸内細菌による食物リグナンやフェルラ酸の代謝

リグナンやフェルラ酸は、フェニルプロパノイド（ベンゼン環と３つの炭素が直鎖状に結合したユニットから構成される化合物）で、様々な植物に含まれるファイトケミカルの一種です。リグナンやフェルラ酸は、それ自体様々な生理活性を持っています。リグナンは、特に強い生理活性が知られており、ポドフィロトキシンと呼ばれるリグナンは、抗がん剤の原料になっています。一方、植物性食品にもリグナンは含まれ、そのようなものは食物リグナンと呼んでいます。食物リグナンは、ゴマ種子、アマ種子に大変多く含まれ、麦類、ブロッコリー、ベリー類などにも含まれています。なお、フェルラ酸は、麦類などではアラビノキシランに結合して食べられる部分に多く含まれています。

ヒトを含む哺乳動物はこれらのリグナンやフェルラ酸含有食物を摂取すると、腸内細菌によって代謝され、リグナンは哺乳動物リグナンという特異な化学構造を持つリグナンに変換されます。フェルラ酸も二重結合の飽和、脱メチル化、脱ヒドロキシ化などの反応が腸内細菌によって起こります。哺乳動物リグナンは、ファイトエストロゲンと呼ばれるように、弱い女性ホルモン用作用を示すほか、骨粗鬆症予防効果、乳がんや前立腺がんなどの抗がん活性、心血管疾病予防活性など幅広い生理活性を有しています。一方、フェルラ酸の腸内細菌による代謝物の健康機能性は、高い抗酸化作用を示すほかはよく知られていません。

哺乳動物リグナンやフェルラ酸を変換できる腸内細菌はごく限られており、複数の菌種がそれぞれ異なる変換過程を担っています。従って、その生産能力は各人の腸内細菌叢に大きく影響を受けるため、だれもが生産できるわけではなく、そのような腸内細菌を持ち、上述の食物リグナンやフェルラ酸含有食品を食べる習慣を持つ人のみが生産できます。私たちは、これまでに、哺乳動物リグナン生成の鍵反応であるデメチル化反応に着目し、この反応を行う腸内細菌のゲノム配列から候補となる酵素遺伝子をクローニングし、組換えタンパク質を使った試験管内でのリグナンの酵素的デメチル化に成功しました。また、現在、次の反応である脱ヒドロキシ化反応についても、遺伝子探索や酵素の機能解析を進めています。将来的には、様々な疾病予防に効果があると期待されるものの、極めて難しく、いまだ実現していない食物リグナンからの哺乳動物リグナンサプリメントの製造を夢見て日夜研究に取り組んでいます。

単子葉植物におけるノルリグナンの生合成

ノルリグナンは、ポリフェノールの一種で、スギやヒノキなどの木材や、アスパラガスなどの単子葉植物に含まれています。ノルリグナンは、抗菌性や抗酸化性などの様々な生理活性が知られています。これまで、教員の鈴木らは、アスパラガスのノルリグナン合成酵素をクローニングし、ノルリグナンの炭素骨格を構成する酵素を同定していますが、アスパラガス以外の単子葉植物における酵素や遺伝子は全く未知です。この酵素や遺伝子が様々な植物からわかると、生理活性の有するノルリグナンを植物や微生物に大量生産させるという、「合成生物学」への道筋が開けます。

「竹プラスチック」の開発

岐阜県下の企業と共同して、特殊処理した竹粉とポリプロピレンを混合し竹粉50%を含む「竹プラスチック」を開発しました。分解性のある「竹粉」を高配合した「竹プラスチック」の開発は、現在世界的課題となっている石油由来プラスチック使用量の削減や、マイクロプラスチック問題解決およびプラスチックの分解性向上への第一歩となります。現在、生分解性プラスチックは自然環境中で完全分解され、マイクロプラスチックとして残存しませんが、いまだ高価である点や、物理的強度が低い点が難点です。将来的には、安価な竹粉を高価な生分解性プラスチックに高配合することで、全体として比較的安価で完全分解性のあるバイオマスプラスチック開発を目指します。