(57)【要約】  化学変換則を限定せずに化合物の合成経路を作成する。合成経路作成装置は、化合物の化学構造を数値に変換する変換部と、化合物のペアを作成し、化合物のペアの一方の化合物についての数値から他方の化合物についての数値を減算することにより差分値を算出する算出部と、化合物のペアに関する反応が既知である化合物ペアの差分値と、化合物のペアに関する反応が未知である化合物ペアの差分値とを比較し、差分値が一致する化合物ペアの未知反応を仮想反応として決定する決定部と、化合物を示すノードと、既知反応及び仮想反応のそれぞれを示すエッジと、によって化合物の合成経路を作成する作成部と、出発化合物から目的化合物までの合成経路を、作成された化合物の合成経路から選択する選択部と、を備える。
2012081723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物の化学構造を数値に変換する変換部と、
前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより差分値を算出する算出部と、
前記化合物のペアに関する反応が既知である前記化合物ペアの前記差分値と、前記化合物のペアに関する反応が未知である前記化合物ペアの前記差分値とを比較し、前記差分値が一致する前記化合物ペアの未知反応を仮想反応として決定する決定部と、
前記化合物を示すノードと、前記既知反応及び前記仮想反応のそれぞれを示すエッジと、によって前記化合物の合成経路を作成する作成部と、
出発化合物から目的化合物までの合成経路を、作成された前記化合物の合成経路から選択する選択部と、
を備えることを特徴とする合成経路作成装置。
【請求項２】
選択された前記合成経路についての熱力学的な実行可能性を判定する熱力学判定部を備えることを特徴とする請求項１に記載の合成経路作成装置。
【請求項３】
選択された前記合成経路によって合成される前記目的化合物のモル理論収率を算出し、算出されたモル理論収率が閾値以上であるか否かを判定するモル理論収率判定部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の合成経路作成装置。
【請求項４】
化合物の化学構造を数値に変換する変換部と、
前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより第１差分値を算出する第１算出部と、
目的化合物についての前記数値から出発化合物についての前記数値を減算することにより第２差分値を算出する第２算出部と、
前記出発化合物から前記目的化合物までの合成経路における前記第１差分値の合計値と、前記第２差分値とが一致する、そのような前記合成経路を、前記出発化合物、前記目的化合物及び複数の前記第１差分値によって作成する作成部と、
を備えることを特徴とする合成経路作成装置。
【請求項５】
前記合成経路によって合成される前記目的化合物のモル理論収率を算出し、算出されたモル理論収率が閾値以上であるか否かを判定するモル理論収率判定部を備えることを特徴とする請求項４に記載の合成経路作成装置。
【請求項６】
前記合成経路についての熱力学的な実行可能性を判定する熱力学判定部を備えることを特徴とする請求項５に記載の合成経路作成装置。
【請求項７】
コンピュータが、
化合物の化学構造を数値に変換するステップと、
前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより差分値を算出するステップと、
前記化合物のペアに関する反応が既知である前記化合物ペアの前記差分値と、前記化合物のペアに関する反応が未知である前記化合物ペアの前記差分値とを比較し、前記差分値が一致する前記化合物ペアの未知反応を仮想反応として決定するステップと、
前記化合物を示すノードと、前記既知反応及び前記仮想反応のそれぞれを示すエッジと、によって前記化合物の合成経路を作成するステップと、
出発化合物から目的化合物までの合成経路を、作成された前記化合物の合成経路から選択するステップと、
を実行することを特徴とする合成経路作成方法。
【請求項８】
前記コンピュータが、選択された前記合成経路についての熱力学的な実行可能性を判定するステップを実行することを特徴とする請求項７に記載の合成経路作成方法。
【請求項９】
前記コンピュータが、選択された前記合成経路によって合成される前記目的化合物のモル理論収率を算出し、算出されたモル理論収率が閾値以上であるか否かを判定するステップを実行することを特徴とする請求項７又は８に記載の合成経路作成方法。
【請求項１０】
コンピュータが、
化合物の化学構造を数値に変換するステップと、
前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより第１差分値を算出するステップと、
目的化合物についての前記数値から出発化合物についての前記数値を減算することにより第２差分値を算出するステップと、
前記出発化合物から前記目的化合物までの合成経路における前記第１差分値の合計値と、前記第２差分値とが一致する、そのような前記合成経路を、前記出発化合物、前記目的化合物及び複数の前記第１差分値によって作成するステップと、
を実行することを特徴とする合成経路作成方法。
【請求項１１】
前記コンピュータが、選択された前記合成経路によって合成される前記目的化合物のモル理論収率を算出し、算出されたモル理論収率が閾値以上であるか否かを判定するステップを実行することを特徴とする請求項１０に記載の合成経路作成方法。
【請求項１２】
前記コンピュータが、選択された前記合成経路についての熱力学的な実行可能性を判定するステップを実行することを特徴とする請求項１１に記載の合成経路作成方法。
【請求項１３】
コンピュータに、
化合物の化学構造を数値に変換するステップと、
前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより差分値を算出するステップと、
前記化合物のペアに関する反応が既知である前記化合物ペアの前記差分値と、前記化合物のペアに関する反応が未知である前記化合物ペアの前記差分値とを比較し、前記差分値が一致する前記化合物ペアの未知反応を仮想反応として決定するステップと、
前記化合物を示すノードと、前記既知反応及び前記仮想反応のそれぞれを示すエッジと、によって前記化合物の合成経路を作成するステップと、
出発化合物から目的化合物までの合成経路を、作成された前記化合物の合成経路から選択するステップと、
を実行させるための合成経路作成プログラム。
【請求項１４】
前記コンピュータに、選択された前記合成経路についての熱力学的な実行可能性を判定するステップを実行させるための請求項１３に記載の合成経路作成プログラム。
【請求項１５】
前記コンピュータに、選択された前記合成経路によって合成される前記目的化合物のモル理論収率を算出し、算出されたモル理論収率が閾値以上であるか否かを判定するステップを実行させるための請求項１３又は１４に記載の合成経路作成プログラム。
【請求項１６】
コンピュータに、
化合物の化学構造を数値に変換するステップと、
前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより第１差分値を算出するステップと、
目的化合物についての前記数値から出発化合物についての前記数値を減算することにより第２差分値を算出するステップと、
前記出発化合物から前記目的化合物までの合成経路における前記第１差分値の合計値と、前記第２差分値とが一致する、そのような前記合成経路を、前記出発化合物、前記目的化合物及び複数の前記第１差分値によって作成するステップと、
を実行させるための合成経路作成プログラム。
【請求項１７】
前記コンピュータに、選択された前記合成経路によって合成される前記目的化合物のモル理論収率を算出し、算出されたモル理論収率が閾値以上であるか否かを判定するステップを実行させるための請求項１６に記載の合成経路作成プログラム。
【請求項１８】
前記コンピュータに、選択された前記合成経路についての熱力学的な実行可能性を判定するステップを実行させるための請求項１７に記載の合成経路作成プログラム。
【請求項１９】
オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸して３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２０】
３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸して３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２１】
オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する工程、およびマロン酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２２】
３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する酵素およびマロン酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２３】
オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する工程を含む、マロン酸の製造方法。
【請求項２４】
ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する工程、および蟻酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２５】
３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する酵素および蟻酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２６】
ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する工程を含む、蟻酸の製造方法。
【請求項２７】
C02107（(S,S)-Tartaric acid）をC00222（3-Oxopropanoate）に変換する工程、およびC00222を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２８】
３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、C02107をC00222に変換する酵素およびC00222を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法。
【請求項２９】
C02107をC00222に変換する工程を含む、C00222の製造方法。
【請求項３０】
アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する工程、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する工程、３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する工程、クロトニル-CoAをクロトニルアルデヒドに変換する工程、およびクロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する工程を含む、クロトニルアルコールの製造方法。
【請求項３１】
クロトニルアルコール生産能を有し、アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する酵素活性、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する酵素活性、および３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する酵素活性を有し、クロトニル-CoAをクロトニルアルデヒドに変換する酵素活性およびクロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養してクロトニルアルコールを培地または菌体内に蓄積させ、クロトニルアルコールを培地または菌体内から回収することを特徴とする、クロトニルアルコールの製造方法。
【請求項３２】
請求項３０または３１に記載の方法によってクロトニルアルコールを製造し、得られたクロトニルアルコールを脱水してブタジエンを得ることを特徴とする、ブタジエンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成経路作成装置、合成経路作成方法及び合成経路作成プログラムに関する。本発明はまた、３−ヒドロキシプロピオン酸、クロトニルアルコールおよびブタジエンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオプロセスは、酵素反応や微生物の代謝反応を利用して産業的に有用な化学品を製造する手法として広く利用されている。近年、生体によって生成される天然型の化合物に加えて、非天然型の化学品を生産物とした新しいバイオプロセスのニーズが高まっている。非天然型の化学品を生産するバイオプロセスの開発には、新規のバイオ反応を見つけることと、合理的な方法でバイオ合成経路を見出すことが大きな鍵となる。【０００３】
しかし、全く知られていない未知のバイオ反応を合理的に予測することは困難であり、これまでの検討は主に属人的な着想に依存したものに限られてきた。新しいバイオプロセスの開発のためには、より合理的で、かつ、属人的な方法に依存しない新しいバイオ反応を予測する方法と、バイオ合成経路の設計方法が望まれている。【０００４】
３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法としては、ピルビン酸→αアラニン→βアラニン→マロン酸セミアルデヒド→３−ヒドロキシプロピオン酸という合成ルートがCargillにより特許文献１に報告されている。
バイオブタジエンの製造方法としては、特許文献２で報告されているように、醗酵生産したブタノールを化学変換してブタジエンを合成する方法が知られている。当方法では、脱水工程によりブタノールをブテンに変換した後、脱水素化する工程が必要であり、プロセスが複雑となる上エネルギー消費も多いため製造コストが高くなる懸念がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／０２２６６４号
【特許文献２】国際公開第２０１０／０９９２０１号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ayoun Cho、他４名、Prediction of novel synthetic pathways for the production of desired chemicals、BMC Systems Biology, 2010, 4:35 (doi:10.1186/1752-0509-4-35)
【非特許文献２】Christopher S. Henry、他２名、Discovery and analysis of novel metabolic pathways for the biosynthesis of industrial chemicals: 3-hydroxypropanoate 、Biotechnology and Bioengineering、(doi:10.1002/bit.22673)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
同一の酵素が、部分構造が一致している複数の基質に対して触媒作用を発揮する例が知られている。このため、従来は、基質の部分構造が一致していることを根拠に、新しいバイオ反応を予測する考え方が用いられてきた。グラフ理論は、化合物の構造を計算機が理解できる形で表記し、化合物間で一致する部分構造を探索するために用いられる手法である。グラフ理論とバイオ合成経路の設計方法とを組み合わせて経路の探索を実施する場合、手間が煩雑になることや計算時間が大幅にかかることが問題となっている。また、別のバイオ反応予測方法として、酵素反応における化学変換法則をあらかじめ数種類に決めてしまう方法もある。しかし、この方法は化学変換則をいくつかに限定することの科学的根拠に乏しい点があり、予測精度が損なわれる懸念がある。【０００８】
バイオ合成経路の設計方法とは、バイオ反応情報データベースに登録された既知情報を利用して、原料化合物から目的化合物の経路を探索することや、複数の候補経路から化学量論関係や熱力学的な観点から経済合理性があり実効可能性の高い経路を選択することができる方法のことである。ただし、バイオ反応情報データベースに登録された既知情報だけを利用すれば、予測される経路は当然のごとく既知の反応の組み合わせに限定されるため、新規反応経路の予測は不可能である。本発明は、化学変換則を限定せずに化合物の合成経路を作成することを目的とする。
また、本発明は、新規な３−ヒドロキシプロピオン酸の合成方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、新規なクロトニルアルコールおよびブタジエンの合成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上述の課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明の一観点に係る合成経路作成装置は、化合物の化学構造を数値に変換する変換部と、前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより差分値を算出する算出部と、前記化合物のペアに関する反応が既知である前記化合物ペアの前記差分値と、前記化合物のペアに関する反応が未知である前記化合物ペアの前記差分値とを比較し、前記差分値が一致する前記化合物ペアの未知反応を仮想反応として決定する決定部と、前記化合物を示すノードと、前記既知反応及び前記仮想反応のそれぞれを示すエッジと、によって前記化合物の合成経路を作成する作成部と、出発化合物から目的化合物までの合成経路を、作成された前記化合物の合成経路から選択する選択部と、を備える。上記合成経路作成装置によれば、化合物を示すノード、既知反応及び仮想反応を示すエッジによって作成された化合物の合成経路から、出発化合物から目的化合物までの新規の化合物の合成経路を選択することが可能となる。【００１０】
本発明の他の観点に係る合成経路作成装置は、化合物の化学構造を数値に変換する変換部と、前記化合物のペアを作成し、前記化合物のペアの一方の化合物についての前記数値から他方の化合物についての前記数値を減算することにより第１差分値を算出する第１算出部と、目的化合物についての前記数値から出発化合物についての前記数値を減算することにより第２差分値を算出する第２算出部と、前記出発化合物から前記目的化合物までの合成経路における前記第１差分値の合計値と、前記第２差分値とが一致する、そのような前記合成経路を、前記出発化合物、前記目的化合物及び複数の前記第１差分値によって作成する作成部と、を備える。上記合成経路作成装置によれば、出発化合物及び目的化合物と、複数の第１差分値とから構成される化合物の合成経路を作成することにより、出発化合物から目的化合物までの新規の化合物の合成経路を作成することが可能となる。【００１１】
また、本発明は、以上のいずれかの処理を実行するコンピュータその他の装置、機械等であってもよい。また、本発明は、コンピュータその他の装置、機械等に、以上のいずれかの機能を実現させるプログラムであってもよい。また、本発明は、そのようなプログラムをコンピュータ等が読み取り可能な記録媒体に記録したものでもよい。【００１２】
本発明の第一の態様にかかる３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法は、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸して３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法である。３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸して３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法であってもよい。【００１３】
本発明の第二の態様にかかる３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法は、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する工程、およびマロン酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法である。３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法であってもよい。【００１４】
本発明の第三の態様にかかる３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法は、ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する工程、および蟻酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法である。３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法であってもよい。【００１５】
本発明の第四の態様にかかる３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法は、C02107（(S,S)-Tartaric acid）をC00222（3-Oxopropanoate）に変換する工程、およびC00222を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法である。３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、C02107をC00222に変換する酵素の活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養して３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内に蓄積させ、３−ヒドロキシプロピオン酸を培地または菌体内から回収することを特徴とする、３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法であってもよい。【００１６】
本発明の第五の態様にかかるクロトニルアルコールの製造方法は、アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する工程、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する工程、３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する工程、クロトニル-CoAをクロトニルアルデヒドに変換する工程、およびクロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する工程を含み、ブタジエンの製造方法は、さらに得られたクロトニルアルコールを脱水してブタジエンを得る工程を含む。
また、クロトニルアルコール生産能を有し、アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する酵素活性、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する酵素活性、および３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する酵素活性を有し、クロトニル-CoAをクロトニルアルデヒドに変換する酵素活性およびクロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する活性を有する微生物を炭素源を含む培地中で培養してクロトニルアルコールを培地または菌体内に蓄積させ、クロトニルアルコールを培地または菌体内から回収することを特徴とする方法、および得られたクロトニルアルコールを脱水してブタジエンを得る工程を含む方法でもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、化学変換則を限定せずに化合物の合成経路を作成することができる。本発明の３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法によれば３−ヒドロキシプロピオン酸を効率よく製造することができる。本発明のクロトニルアルコールおよびブタジエンの製造方法によればクロトニルアルコールおよびブタジエンを効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る合成経路作成装置１の構成図
【図２】ＫＥＧＧのデータベースに登録されている炭素（Ｃ）を有する化合物についてのatom typesをグループ化した場合の例を示す図
【図３】ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物についてのatom typesをグループ化した場合の例を示す図
【図４】化合物（3-Hydroxypropionate）の化学構造式に含まれている部分構造の個数及び部分構造の結合状態の個数をカウントした場合の例を示す図
【図５】本実施形態に係る合成経路作成装置１の機能構成図
【図６】仮想反応法による化合物合成経路の作成のフローを示す図
【図７】グラフを図形によって表現した場合の例を示す図
【図８】合成経路の情報を示す図
【図９】最適化法による化合物合成経路の作成のフローを示す図
【図１０】化合物の合成経路の例を示す図
【図１１】合成経路の情報の出力例を示す図
【図１２】実施例２に係る化合物の合成経路を示す図
【図１３】実施例３に係る化合物の合成経路を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。
【００２０】
〈合成経路作成装置１の構成〉
図１は、本実施形態に係る合成経路作成装置１の構成図である。図１に示すように、合成経路作成装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２、メモリ３、ハードディスク駆動装置４、可搬媒体駆動装置５、入力装置６、表示装置７及び外部インターフェース８を有している。
【００２１】
ＣＰＵ２は、メモリ３に格納されているコンピュータプログラムを実行するとともに、メモリ３に格納されているデータを処理することにより、合成経路作成装置１を制御する。メモリ３は、ＣＰＵ２で実行されるプログラムやＣＰＵ２で処理されるデータを記憶する。メモリ３は、揮発性のＲＡＭ（Random Access Memory）と、不揮発性のＲＯＭ（Read Only Memory）とを含む。
【００２２】
ハードディスク駆動装置４は、メモリ３にロードされるプログラムを記憶する。また、ハードディスク駆動装置４は、ＣＰＵ２で処理されるデータを記憶する。可搬媒体駆動装置５は、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＨＤ−ＤＶＤ（High Definition−ＤＶＤ）、ブルーレイディスク等の可搬媒体の駆動装置である。また、可搬媒体駆動装置５は、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリを有するカード媒体の入出力装置であってもよい。可搬媒体駆動装置５によって駆動される可搬媒体は、例えば、ハードディスク駆動装置４にインストールされるコンピュータプログラム、入力データ等を保持する。入力装置６は、例えば、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ワイヤレスリモコン等である。
【００２３】
表示装置７は、ＣＰＵ２で処理されるデータやメモリ３に記憶されるデータを表示する。表示装置７は、例えば、液晶表示装置、プラズマディスプレイパネル、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、エレクトロルミネッセンスパネル等である。
【００２４】
外部インターフェース８は、合成経路作成装置１を外部ネットワークに接続する。外部インターフェース８は、例えば、モデム、ターミナルアダプタ等の通信装置を備えており、合成経路作成装置１と外部ネットワーク上の機器との通信の制御を行う。外部ネットワークは、例えば、インターネットやローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）である。また、電話線、専用線、光通信網、通信衛生などの通信回線により外部ネットワークを構成してもよい。
【００２５】
本実施形態に係る合成経路作成装置１は、出発化合物から目的化合物までの化合物合成経路を作成する。化合物合成経路の作成は、仮想反応法及び最適化法の２種類がある。仮想反応法及び最適化法では、化合物を独自の表現方法によって定義する。
【００２６】
〈化合物を独自の表現方法によって定義する手順の一例〉
まず、化合物を独自の表現方法によって定義する手順の一例について説明する。この手順においては、化合物の化学構造式に含まれている部分構造を所定の基準に従って分類し、化合物の化学構造式に含まれている部分構造を文字列として定義する。所定の基準は、化合物構造について厳密に定義した基準であってもよいし、化合物構造の類似性を考慮した基準であってもよい。また、所定の基準は、官能基別（alkane、alkeneなど）に基づいた基準であってもよい。例えば、ＫＥＧＧ（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）のデータベースに登録されているatom typesに従って、化合物の化学構造式に含まれている部分構造を分類してもよい。また、例えば、ＫＥＧＧのデータベースに登録されているatom typesをグループ化し、グループ化されたatom typesに従って、化合物の化学構造式に含まれている部分構造を分類してもよい。
【００２７】
ＫＥＧＧのデータベースに登録されている炭素（Ｃ）を有する化合物についてのatom typesをグループ化した場合の例を図２に示す。図２では、化学反応類似性に基づいて、atom typesのグループ化が行われているが、官能基別（alkane、alkeneなど）に基づいて、atom typesのグループ化を行ってもよい。図２のＣ1a、Ｃ1b、Ｃ1c及びＣ1dは、ＫＥＧＧのデータベースに登録されているatom typesに割り当てられた識別番号である。図２のＣ2aやＣ3a等についても同様である。図２のＣ01は、Ｃ1a、Ｃ1b、Ｃ1c及びＣ1dをグループ化したデータ（情報）に割り当てられた識別番号である。図２のＣ02やＣ03等についても同様である。
【００２８】
図３は、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物についてのatom typesをグループ化した場合の例である。図３の識別番号Ａのフィールドには、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物についてのatom typesに割り当てられた識別番号が入力されている。図３の識別番号Ｂのフィールドには、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物についてのatom typesをグループ化したデータに割り当てられた識別番号が入力されている。
【００２９】
図４は、化合物（3-Hydroxypropionate）の化学構造式に含まれている部分構造の個数及び部分構造の結合状態の個数をカウントした場合の例である。図４では、化合物（3-Hydroxypropionate）の化学構造式に含まれている部分構造の個数が、部分構造の種類毎にカウントされ、また、化合物（3-Hydroxypropionate）の化学構造式に含まれている部分構造の結合状態の個数が、部分構造の種類及び結合状態の種類毎にカウントされている。
【００３０】
図４の符号１０１で示すフィールドには、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物についてのatom typesをグループ化したデータに割り当てられた識別番号が入力されている。図４の符号１０２で示すフィールドには、化合物の化学構造式に含まれている部分構造の個数を、部分構造の種類毎にカウントした後の数値が入力されている。また、図４の符号１０２で示すフィールドには、化合物の化学構造式に含まれている部分構造の結合状態の個数を、部分構造の種類及び結合状態の種類毎にカウントした後の数値が入力されている。なお、図４において、一重結合は−で表記され、二重結合は＝で表記され、三重結合は％で表記されている。本実施形態では、図４の符号１０２で示すフィールドに入力されている数値を連続的に並べたものを、ＵＦ（Universal Feature）と表記する。図４に示すように、化合物のＵＦは、化合物の化学構造式に含まれている部分構造の個数を示す原子情報と、化合物の化学構造式に含まれている部分構造の結合状態の個数を示す結合情報とから構成されている。
【００３１】
〈合成経路作成装置１の機能構成〉
図５は、本実施形態に係る合成経路作成装置１の機能構成図である。図５に示す合成経路作成装置１は、ユーザの操作を受け付けて合成経路作成装置１を操作する操作部１０と、化合物データベース１１、既知反応データベース１２、部分構造データベース１３、共通構造データベース１４、ＵＦデータベース１５、差分データベース１６、１７及び仮想反応データベース１８を有する記憶部２０と、各種の処理を実行する制御部２１と、各種の情報を表示する表示部２２とを備える。これらの各機能部は、ＣＰＵ２、メモリ３等やＣＰＵ２で実行されるコンピュータプログラムによって実現される。
【００３２】
〈化合物データベース１１〉
化合物データベース１１には、化合物の名称と、化合物の化学構造式のデータとが関連付けて格納される。例えば、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを関連付けて、化合物データベース１１に格納してもよい。また、化合物データベース１１には、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物に加えて目的化合物（非天然化合物を含む）の化合物の名称と、化合物の化学構造式のデータとが関連付けて格納されてもよい。また、例えば、ＰｕｂＣｈｅｍ、ＢＲＥＮＤＡ、ＭｅｔａＣｙｃなどの代謝物データベースに登録されている化合物の名称と、化合物の化学構造式のデータとを関連付けて、化合物データベース１１に格納してもよい。これに限らず、種々の化学物質データベースに登録されている化合物の名称と、化合物の化学構造式のデータとを関連付けて、化合物データベース１１に格納してもよい。
【００３３】
本実施形態では、化合物データベース１１に格納されている化合物について、化合物（例えば、化合物Ａ）から化合物（例えば、化合物Ｂ）が合成されることが知られている化合物ペアにおける反応を、既知反応と表記する。既知反応であるか否かについては、ユーザが設定することが可能であるが、例えば、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている反応については、既知反応であるとしてもよい。
【００３４】
本実施形態では、化合物データベース１１に格納されている化合物について、化合物（例えば、化合物Ａ）から化合物（例えば、化合物Ｂ）が合成されることが知られている化合物ペアを、既知化合物ペアと表記する。この時、化合物Ａと化合物Ｂとの間に中間体である化合物Ａ’が存在していてもよい。
【００３５】
本実施形態では、化合物データベース１１に格納されている化合物について、或る化合物（例えば、化合物Ｃ）から或る化合物（例えば、化合物Ｄ）が合成されることが知られていない化合物ペアにおける反応を、未知反応と表記する。本実施形態では、化合物データベース１１に格納されている化合物について、或る化合物（例えば、化合物Ｃ）から或る化合物（例えば、化合物Ｄ）が合成されることが知られていない化合物ペアを、未知化合物ペアと表記する。
本実施形態では、化合物データベース１１に格納されている化合物について、化合物（例えば、化合物Ａ）から化合物（例えば、化合物Ｂ）が合成されることが知られている化合物ペアにおける反応に用いられる酵素を、既知反応酵素と表記する。
【００３６】
〈既知反応データベース１２〉
既知反応データベース１２には、既知化合物ペアにおける各化合物の名称と、既知化合物ペアにおける反応方向と、既知反応酵素とが、関連付けて格納される。既知反応酵素は、複数であってもよい。
【００３７】
例えば、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物ペアにおける各化合物の名称と、化合物ペアの反応における反応方向と、化合物ペアにおける反応に用いられる酵素とを関連付けて、既知反応データベース１２に格納してもよい。また、例えば、ＰｕｂＣｈｅｍ、ＢＲＥＮＤＡ、ＭｅｔａＣｙｃなどの代謝物データベースに登録されている化合物ペアにおける各化合物の名称と、化合物ペアにおける反応方向と、化合物ペアにおける反応に用いられる酵素とを関連付けて、既知反応データベース１２に格納してもよい。また、大腸菌の代謝反応データベースに登録されている化合物ペアにおける各化合物の名称と、化合物ペアにおける反応方向と、化合物ペアにおける反応に用いられる酵素とを関連付けて、既知反応データベース１２に格納してもよい。これに限らず、種々の化学物質データベースに登録されている化合物ペアにおける各化合物の名称と、化合物ペアにおける反応方向と、化合物ペアにおける反応に用いられる酵素とを関連付けて、既知反応データベース１２に格納してもよい。
【００３８】
〈部分構造データベース１３〉
部分構造データベース１３には、化合物の化学構造式の部分データと、化合物の化学構造式の部分データに割り当てられた識別番号とが格納される。化合物の化学構造式の部分データは、所定の基準に従い、化合物の化学構造式から一部分の化学構造を抽出することによって作成されたデータである。例えば、ＫＥＧＧのデータベースに登録されているatom typesに基づいて、化合物データベース１１に登録されている化合物の化学構造式から一部分の化学構造を抽出することによって、化合物の化学構造式の部分データを作成してもよい。本実施形態では、化合物の化学構造式の部分データに割り当てられた識別番号を、構造番号と表記する。例えば、図２の例であれば、Ｃ1a、Ｃ1b、Ｃ1c及びＣ1dが、構造番号に相当する。
【００３９】
〈共通構造データベース１４〉
共通構造データベース１４には、化合物の化学構造式の部分データをグループ化したデータと、グループ化したデータに割り当てられた識別番号とが格納される。本実施形態では、化合物の化学構造式の部分データをグループ化したデータに割り当てられた識別番号を、共通構造番号と表記する。例えば、図２の例であれば、Ｃ01が共通構造番号に相当する。
【００４０】
〈ＵＦデータベース１５〉
ＵＦデータベース１５には、化合物のＵＦが、化合物の名称と関連付けて格納される。
【００４１】
〈化合物のＵＦの作成〉
制御部２１は、化合物データベース１１に格納されている化合物のＵＦを作成する。そして、制御部２１は、作成した化合物のＵＦを、化合物の名称と関連付けてＵＦデータベース１５に格納する。
【００４２】
なお、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のＵＦ及び化合物の名称については、化合物のＵＦが同一であるが、化合物の名称が異なる場合がある。例えば、図２の例を用いて化合物Ａ及び化合物Ｂが分類され、化合物Ａについては、Ｃ1aが２個、化合物Ｂについては、Ｃ1aが１個、Ｃ1bが１個であったとする。Ｃ1a及びＣ1bは、グループ化されているので、化合物Ａ及び化合物Ｂは、共にＣ01が２個あるとして、化合物のＵＦが作成される。そのため、化合物のＵＦが同一であるが、化合物の名称が異なる場合がある。この場合、ＵＦデータベース１５には、化合物のＵＦに対して、複数の化合物の名称が関連付けて格納されている。
【００４３】
上記では、制御部２１は、共通構造データベース１４を参照して、化合物のＵＦを作成している。すなわち、制御部２１は、化合物の化学構造式の部分データをグループ化したデータと、共通構造番号とを参照して、化合物のＵＦを作成している。しかし、本実施形態は、これに限定されず、制御部２１は、部分構造データベース１３を参照して、化合物のＵＦを作成してもよい。すなわち、制御部２１は、化合物の化学構造式の部分データと、構造番号とを参照して、化合物のＵＦを作成してもよい。
【００４４】
〈差分データベース１６〉
差分データベース１６には、化合物ペアのＵＦの差分と、化合物ペアにおける各化合物の名称とが、関連付けて格納される。例えば、化合物ＡのＵＦから化合物ＢのＵＦを減算した値が、化合物ペアのＵＦの差分である。なお、差分データベース１６には、化合物ペアにおける各化合物の名称に代えて、化合物ペアにおける各化合物のＵＦを格納してもよい。
【００４５】
〈差分データベース１６に格納されるＤＦの作成〉
制御部２１は、ＵＦデータベース１５に格納されている全ての化合物についてペアを作成し、作成した化合物ペアのＵＦの差分を算出する。本実施形態では、化合物ペアのＵＦの差分を、ＤＦ（Difference Feature）と表記する。
【００４６】
制御部２１は、ＵＦデータベース１５に格納されている全ての化合物ペアで反応が生じると仮定して、ＵＦデータベース１５に格納されている全ての化合物についてペアを作成する。例えば、ＵＦデータベース１５に化合物Ａ、Ｂ及びＣが格納されている場合、制御部２１は、化合物Ａと化合物Ｂとのペア、化合物Ａと化合物Ｃとのペア、化合物Ｂと化合物Ｃとのペアを作成する。また、例えば、化合物Ａと化合物ＢとのペアについてのＤＦを算出する場合、制御部２１は、化合物ＡのＵＦから化合物ＢのＵＦを減算した値と、化合物ＢのＵＦから化合物ＡのＵＦを減算した値とを算出する。そして、制御部２１は、ＤＦと化合物ペアにおける各化合物の名称とを関連付けて差分データベース１６に格納する。
【００４７】
〈差分データベース１７〉
差分データベース１７には、既知化合物ペアのＵＦの差分と、既知化合物ペアにおける各化合物の名称と、既知反応酵素とが、関連付けて格納される。なお、差分データベース１７には、既知化合物ペアにおける各化合物の名称に代えて、既知化合物ペアにおける各化合物のＵＦを格納してもよい。
【００４８】
〈差分データベース１７に格納されるＤＦの作成〉
制御部２１は、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のうち既知化合物ペアのＵＦの差分を算出する。本実施形態では、既知化合物ペアのＵＦの差分を、既知ＤＦと表記する。例えば、化合物Ａから化合物Ｂを合成する反応が既知反応である場合、制御部２１は、化合物ＢのＵＦから化合物ＡのＵＦを減算することにより、既知ＤＦを算出する。そして、制御部２１は、既知ＤＦと、既知化合物ペアにおける各化合物の名称と、既知反応酵素とを関連付けて差分データベース１７に格納する。制御部２１は、既知化合物ペアにおける各化合物の名称、既知反応酵素については、既知反応データベース１２に格納されているデータを用いる。
【００４９】
〈仮想反応法による化合物合成経路の作成〉
図６を参照して、仮想反応法による化合物合成経路の作成のフローを説明する。図６のフローは、操作部１０を介してユーザから仮想反応法による化合物合成経路の作成の指示を受け付けることにより開始される。この際、操作部１０を介してユーザから出発化合物及び目的化合物の指定を受け付けるようにしてもよい。
【００５０】
図６のＳ６０１の処理において、制御部２１は、化合物データベース１１に格納されている化合物のＵＦを作成する。すなわち、制御部２１は、化合物データベース１１に格納されている化合物の化学構造式に含まれている部分構造の個数を、部分構造の種類毎にカウントするとともに、化合物の化学構造式に含まれている部分構造の結合状態の個数を、部分構造の種類及び結合状態の種類毎にカウントすることにより、化合物の化学構造式を数値に変換する。また、図６のＳ６０１の処理において、制御部２１は、作成したＵＦと、化合物の名称とを関連付けてＵＦデータベース１５に格納する。図６のＳ６０１の処理を実行する制御部２１が、変換部として機能する。
【００５１】
次に、図６のＳ６０２の処理において、制御部２１は、ＵＦデータベース１５に格納されている全ての化合物についてペアを作成し、作成した化合物ペアのＤＦを算出する。制御部２１は、算出したＤＦと、化合物ペアにおける各化合物の名称とを関連付けて差分データベース１６に格納する。
【００５２】
また、図６のＳ６０２の処理において、制御部２１は、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物ペアのうち既知化合物ペアについての既知ＤＦを算出する。制御部２１は、算出した既知ＤＦと、既知化合物ペアにおける各化合物の名称と、既知反応酵素とを関連付けて差分データベース１７に格納する。図６のＳ６０２の処理を実行する制御部２１が、算出部として機能する。
【００５３】
そして、図６のＳ６０３の処理において、制御部２１は、差分データベース１６に格納されているＤＦと、差分データベース１７に格納されている既知ＤＦとを比較する。
【００５４】
次いで、図６のＳ６０４の処理において、制御部２１は、差分データベース１６に格納されているＤＦのうち、差分データベース１７に格納されている既知ＤＦと一致するＤＦについての未知化合物ペアにおける未知反応を仮想反応として決定する。既知ＤＦと一致するＤＦについての未知化合物ペアにおける未知反応は、起こり得ると予測される。なお、制御部２１は、差分データベース１６に格納されているＤＦのうち、差分データベース１７に格納されている既知ＤＦと一致するＤＦについての既知化合物ペアにおける既知反応については、仮想反応として決定しない。
【００５５】
また、図６のＳ６０４の処理において、制御部２１は、差分データベース１６に格納されているＤＦと差分データベース１７に格納されている既知ＤＦとが一致する場合、一致する既知ＤＦと関連付けられている既知反応酵素を、仮想反応に用いられる酵素として決定する。制御部２１は、既知ＤＦと関連付けられている既知反応酵素が複数ある場合、複数の既知反応酵素を仮想反応に用いられる酵素として決定する。図６のＳ６０３及びＳ６０４の処理を実行する制御部２１が、決定部として機能する。
【００５６】
次に、図６のＳ６０５の処理において、制御部２１は、仮想反応に関しての化合物ペアの各化合物の名称と、仮想反応に用いられる酵素とを関連付けて、仮想反応データベース１８に格納する。
【００５７】
そして、図６のＳ６０６の処理において、制御部２１は、既知反応データベース１２及び仮想反応データベース１８に基づいて、化合物の合成経路を作成する。この場合、制御部２１は、既知化合物ペアの各化合物及び仮想反応に関しての化合物ペアの各化合物を示すノード（頂点）と、既知反応及び仮想反応を示すエッジ（辺）とによって、化合物の合成経路を作成する。すなわち、制御部２１は、既知化合物ペアの各化合物及び仮想反応に関しての化合物ペアの各化合物をノード、既知反応及び仮想反応をエッジとして、全ての反応を含むグラフ（ネットワーク）を構築することにより、化合物の合成経路を作成する。制御部２１は、既知化合物ペアの各化合物及び既知反応については、既知反応データベース１２を参照し、仮想反応に関しての化合物ペアの各化合物及び仮想反応については、仮想反応データベース１８を参照する。図６のＳ６０６の処理を実行する制御部２１が、作成部として機能する。
【００５８】
グラフは、形式的にノードの集合Ｖと、ノード同士を結ぶエッジの集合Ｅからなる順序対Ｇ＝（Ｖ，Ｅ）として定義される。順序対Ｇは、グラフに含まれる化合物が、各反応を通してどのように隣接しているか（ネットワークを形成しているか）を表現するものである。グラフは、図形によって表現してもよいし、配列の各要素をノードとした配列処理によって表現してもよい。
【００５９】
グラフを図形によって表現した場合の例を図７に示す。図７では、既知化合物ペアの各化合物及び仮想反応に関しての化合物ペアの各化合物が、ノード２０１−２０７によって示され、既知反応及び仮想反応が、エッジ３０１−３０７によって示されている。また、図７では、実線のエッジが既知反応を示しており、破線のエッジが仮想反応を示している。
【００６０】
次いで、図６のＳ６０７の処理において、制御部２１は、出発化合物から目的化合物までの合成経路を、図６のＳ６０６の処理で作成された化合物の合成経路から探索する。制御部２１は、所定数以下の反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路を、図６のＳ６０６の処理で作成された化合物の合成経路から探索してもよい。制御部２１は、深さ優先探索又は幅優先探索等により、出発化合物から目的化合物までの合成経路を、図６のＳ６０６の処理で作成された化合物の合成経路から探索してもよい。制御部２１は、出発化合物又は原料化合物を開始点、目的化合物を終点とする方法（順方向探索法）、又は、目的化合物を開始点、出発化合物又は原料化合物を終点として経路探索を行う方法（逆方向探索）を実施してもよい。原料化合物は、目的化合物を合成する場合において原料となる化合物である。経路探索の目的に応じて、順方向探索法又は逆方向探索法の何れの方法を実施するかを決定してもよい。原料化合物の指定は、操作部１０を介してユーザから受け付けることにより行ってもよい。
【００６１】
次に、図６のＳ６０８の処理において、制御部２１は、出発化合物から目的化合物までの合成経路を、図６のＳ６０６の処理で作成された化合物の合成経路から選択する（手順１）。図６のＳ６０８の処理において、手順１に代えて、制御部２１は、所定の数以下の反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路を、図６のＳ６０６の処理で作成された化合物の合成経路から選択してもよい（手順２）。図６のＳ６０８の処理において、手順１に代えて、制御部２１は、所定の数又は所定の範囲数の反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路を、図６のＳ６０６の処理で作成された化合物の合成経路から選択してもよい（手順３）。図６のＳ６０８の処理を実行する制御部２１が、選択部として機能する。
【００６２】
例えば、図７において、ノード２０１を原料化合物、ノード２０３を出発化合物、ノード２０５を目的化合物とする場合、ノード２０３、２０４、２０５と、エッジ３０３、３０４とから構成される合成経路、及び、ノード２０３、２０７、２０５と、エッジ３０６、３０７とから構成される合成経路が、出発化合物から目的化合物までの合成経路として選択される。ノード２０４及び２０７は、中間化合物である。
【００６３】
そして、図６のＳ６０９の処理において、制御部２１は、図６のＳ６０８の処理で選択された出発化合物から目的化合物までの合成経路のうち、所定の数以下の仮想反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路を抽出する（手順Ａ）。図６のＳ６０９の処理において、手順Ａに代えて、制御部２１は、図６のＳ６０８の処理で選択された出発化合物から目的化合物までの合成経路のうち、所定の数又は所定の範囲数の仮想反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路を抽出してもよい（手順Ｂ）。
【００６４】
次いで、図６のＳ６１０の処理において、制御部２１は、図６のＳ６０９の処理で抽出された出発化合物から目的化合物までの合成経路について、熱力学的な実行可能性を判定する。
【００６５】
熱力学的な実行可能性の判定は、図６のＳ６０９の処理で抽出された出発化合物から目的化合物までの合成経路に含まれる各反応における自由エネルギー変化を、例えば、Biophys. J. Vol.92, No.7, pp1792-1805(2007)に記載された方法により計算し、計算結果に基づいて各反応の向きを決定することにより行われる。図６のＳ６０９の処理で抽出された出発化合物から目的化合物までの合成経路に含まれる各反応が、正方向の反応及び可逆反応である場合、制御部２１は、図６のＳ６０９の処理で抽出された出発化合物から目的化合物までの合成経路について熱力学的な実行可能性があると判定する。また、図６のＳ６０９の処理で抽出された出発化合物から目的化合物までの合成経路に含まれる各反応に逆反応が存在する場合、制御部２１は、図６のＳ６０９の処理で抽出された出発化合物から目的化合物までの合成経路について熱力学的な実行可能性がないと判定する。
【００６６】
次に、図６のＳ６１１の処理において、制御部２１は、図６のＳ６０９の処理で抽出された出発化合物から目的化合物までの合成経路のうち、熱力学的に実行可能性のある合成経路を抽出する。図６のＳ６１０及びＳ６１１の処理を実行する制御部２１が、熱力学判定部として機能する。
【００６７】
そして、図６のＳ６１２の処理において、制御部２１は、図６のＳ６１１の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物のモル理論収率（％）を算出する。この場合、制御部２１は、図６のＳ６１１の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）を算出してもよい。制御部２１は、図６のＳ６１１の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）を算出する場合、既知反応データベース１２を参照して、原料化合物から出発化合物までの合成経路を作成する。そして、制御部２１は、原料化合物から出発化合物までの合成経路及び図６のＳ６１１の処理で抽出された合成経路を用いて、図６のＳ６１１の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）を算出する。原料化合物の指定は、操作部１０を介してユーザから受け付けることにより行ってもよい。この場合、制御部２１は、既知反応データベース１２に格納されている大腸菌の代謝反応に関するデータを参照して、原料化合物から出発化合物までの合成経路を作成してもよい。モル理論収率の計算は、例えば、Biotechnology and Bioengineering, Volume 42, p.59-73 (1993)に記載の方法により実施することができる。
【００６８】
次いで、図６のＳ６１３の処理において、制御部２１は、図６のＳ６１２の処理で算出されたモル理論収率（％）が閾値以上であるか（又は閾値より大きいか）否かを判定する。閾値は、例えば、０％や１００％や２００％等の任意の値を設定することが可能である。
【００６９】
次に、図６のＳ６１４の処理において、制御部２１は、図６のＳ６１１の処理で抽出された合成経路のうち、図６のＳ６１２の処理で算出されたモル理論収率（％）が閾値以上である（又は閾値より大きい）目的化合物を合成する合成経路を抽出する。図６のＳ６１２、Ｓ６１３及びＳ６１４の処理を実行する制御部２１が、モル理論収率判定部として機能する。
【００７０】
そして、図６のＳ６１５の処理において、制御部２１は、図６のＳ６１４の処理で抽出された合成経路について、実用的な合成経路を抽出する。実用的な合成経路の抽出は、合成経路に含まれる各反応の炭素数の変化や炭素数の大小を評価すること、個別の仮想反応酵素の改変の難易度などを考慮して行ってもよい。
【００７１】
また、制御部２１は、図６のＳ６０８の処理で選択された出発化合物から目的化合物までの合成経路における仮想反応を、事前に得られる情報等を参考にして、改変の実績のある酵素反応に予め限定するようにしてもよい。更に、制御部２１は、図６のＳ６０８の処理で選択された出発化合物から目的化合物までの合成経路における仮想反応の実現有無を評価して、合成経路を絞り込むようにしてもよい。この場合、化合物の部分構造の比較を取り入れて、仮想反応の実現有無の評価を行ってもよい。
【００７２】
なお、制御部２１は、図６のＳ６０９の処理を省略してもよいし、図６のＳ６１０及びＳ６１１の処理を省略してもよいし、図６のＳ６１２からＳ６１４の処理を省略してもよいし、図６のＳ６１５の処理を省略してもよい。また、制御部２１は、図６のＳ６０９の処理と、図６のＳ６１０及びＳ６１１の処理と、図６のＳ６１２からＳ６１４の処理と、図６のＳ６１５の処理と、を実行する順番を変更してもよい。例えば、制御部２１は、図６のＳ６１０及びＳ６１１の処理を実行した後に、図６のＳ６０９の処理を実行するようにしてもよい。
【００７３】
次に、図６のＳ６１６の処理において、制御部２１は、図６のＳ６１５の処理で抽出された合成経路と、合成経路に含まれる出発化合物、中間化合物及び目的化合物の各名称と、合成経路における各反応で用いられる酵素とを、含む情報を出力する。この場合、制御部２１は、図６のＳ６１５の処理で抽出された合成経路における各反応について、既知反応であるか又は仮想反応であるかを特定して、図６のＳ６１５の処理で抽出された合成経路の情報を出力する。制御部２１は、合成経路における各反応で用いられる酵素として、酵素ＥＣ番号を用いてもよい。
【００７４】
例えば、制御部２１は、図８に示すグラフ８０及び表８１によって、図６のＳ６１５の処理で抽出された合成経路の情報を出力してもよい。図８に示すように、出発化合物（化合物Ａ）から中間化合物（化合物Ｂ）を合成する反応が既知反応であることが特定され、中間化合物（化合物Ｂ）から目的化合物（化合物Ｃ）を合成する反応が仮想反応であることが特定されている。また、図８では、既知反応に用いられる酵素として既知反応酵素Ａ、Ｂが割り当てられ、仮想反応に用いられる酵素として既知反応酵素Ｂ、Ｃが割り当てられている。
【００７５】
制御部２１は、図６のＳ６１４の処理で抽出された合成経路について、図６のＳ６１２の処理で算出されたモル理論収率（％）が大きい順に順位付けを行ってもよい。更に、制御部２１は、図６のＳ６１６の処理で出力される情報に、図６のＳ６１２の処理で算出されたモル理論収率（％）が大きい順に順位付けを行った合成経路についての情報を追加してもよい。
【００７６】
制御部２１は、図６のＳ６１６の処理で出力した情報を、データベース化して記憶部２０に記憶するようにしてもよい。また、図６のＳ６１６の処理で出力した情報を、表示部２２に表示するようにしてもよい。
【００７７】
本実施形態では、制御部２１が、化合物の化学構造を所定の基準に従ってＵＦに変換するとともに、化合物ペアの一方の化合物についてのＵＦから他方の化合物についてのＵＦを減算することによりＤＦを算出する。本実施形態では、制御部２１が、既知化合物ペアの既知ＤＦと、未知化合物ペアのＤＦとを比較し、既知化合物ペアの既知ＤＦと一致するＤＦについての未知化合物ペアの未知反応を仮想反応と決定する。本実施形態では、制御部２１が、既知化合物ペアの各化合物及び仮想反応に関しての化合物ペアの各化合物を示すノードと、既知反応及び仮想反応を示すエッジとによって、化合物の合成経路を作成する。本実施形態では、制御部２１が、出発化合物から目的化合物までの合成経路を、既知化合物ペアの各化合物及び仮想反応に関しての化合物ペアの各化合物を示すノードと、既知反応及び仮想反応を示すエッジとから構成される化合物の合成経路から選択する。本実施形態によれば、化合物を示すノード、既知反応及び仮想反応を示すエッジによって作成された化合物の合成経路から、出発化合物から目的化合物までの新規の化合物の合成経路を選択することが可能となる。
【００７８】
本実施形態では、制御部２１が、既知化合物ペアの既知ＤＦと、未知化合物ペアのＤＦとを比較し、未知化合物ペアのＤＦと一致する既知化合物ペアの既知ＤＦと関連付けられている既知反応酵素を、仮想反応に用いられる酵素として決定する。本実施形態によれば、選択された出発化合物から目的化合物までの化合物の合成経路に含まれる仮想反応に既知反応酵素を用いることが可能となる。
【００７９】
〈最適化法による化合物合成経路の作成〉
図９を参照して、最適化法による化合物合成経路の作成のフローを説明する。図９のフローは、操作部１０を介してユーザから最適化法による化合物合成経路の作成の指示を受け付けることにより開始される。この際、操作部１０を介してユーザから出発化合物及び目的化合物の指定を受け付けるようにしてもよい。
【００８０】
図９のＳ９０１の処理において、制御部２１は、化合物データベース１１に格納されている化合物のＵＦを作成する。すなわち、制御部２１は、化合物データベース１１に格納されている化合物の化学構造式に含まれている部分構造の個数を、部分構造の種類毎にカウントするとともに、化合物の化学構造式に含まれている部分構造の結合状態の個数を、部分構造の種類及び結合状態の種類毎にカウントすることにより、化合物の化学構造式を数値に変換する。また、図９のＳ９０１の処理において、制御部２１は、作成したＵＦと、化合物の名称とを関連付けてＵＦデータベース１５に格納する。図９のＳ９０１の処理を実行する制御部２１が、変換部として機能する。
【００８１】
次に、図９のＳ９０２の処理において、制御部２１は、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物ペアのうち既知化合物ペアについての既知ＤＦを算出する。制御部２１は、算出した既知ＤＦと、既知化合物ペアにおける各化合物の名称と、既知反応酵素とを関連付けて差分データベース１７に格納する。図９のＳ９０２の処理を実行する制御部２１が、第１算出部として機能する。
【００８２】
そして、図９のＳ９０３の処理において、制御部２１は、目的化合物についてのＵＦから出発化合物についてのＵＦを減算することにより、出発化合物と目的化合物との化合物ペアのＵＦの差分を算出する。本実施形態では、出発化合物と目的化合物との化合物ペアのＵＦの差分を、Difference Totalと表記する。出発化合物及び目的化合物の指定は、操作部１０を介してユーザから受け付けることにより行われる。図９のＳ９０３の処理を実行する制御部２１が、第２算出部として機能する。
【００８３】
次いで、図９のＳ９０４の処理において、制御部２１は、整数計画法を用いて、複数の既知ＤＦの合計値とDifference Totalの値とが一致するように、差分データベース１７から複数の既知ＤＦを抽出する。この場合、制御部２１は、既知ＤＦの個数を限定して、差分データベース１７から複数の既知ＤＦを抽出するようにしてもよい。例えば、制御部２１は、差分データベース１７から所定数以下又は所定数の既知ＤＦを抽出するようにしてもよい。整数計画法を用いて、適切な条件を指定することにより、短い計算時間で幅広い組み合わせの中から探索を実施することができる。ただし、制御部２１は、整数計画法に代えて、他の方法を用いてもよい。
【００８４】
制御部２１は、図９のＳ９０４の処理を所定回数繰り返すことにより、複数の既知ＤＦを含む組（グループ）を作成する。本実施形態では、複数の既知ＤＦを含む組を、ＤＦ組合せ群と表記する。制御部２１は、図９のＳ９０４の処理を繰り返すごとに、差分データベース１７から、複数の既知ＤＦをランダムに抽出することにより、１種類又は複数種類のＤＦ組合せ群を作成する。
【００８５】
図９のＳ９０４の処理において、制御部２１は、差分データベース１７から、複数の既知ＤＦを抽出し、抽出した複数の既知ＤＦを用いてＤＦ組合せ群を作成するようにしてもよい。そして、制御部２１は、図９のＳ９０４の処理を所定回数繰り返すことにより、１種類又は複数種類のＤＦ組合せ群を作成するようにしてもよい。この場合、制御部２１は、図９のＳ９０４の処理を繰り返すごとに、差分データベース１７から、複数の既知ＤＦをランダムに抽出するようにしてもよい。
【００８６】
次に、図９のＳ９０５の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０４の処理で作成されたＤＦ組合せ群について、出発化合物及び目的化合物と、ＤＦ組合せ群に含まれる複数の既知ＤＦとによって、化合物の合成経路を作成する。制御部２１は、図９のＳ９０４の処理で複数種類のＤＦ組合せ群が作成されている場合、各ＤＦ組合せ群について、化合物の合成経路を作成する。図９のＳ９０４及びＳ９０５の処理を実行する制御部２１が、作成部として機能する。
【００８７】
出発化合物及び目的化合物と、ＤＦ組合せ群に含まれる複数の既知ＤＦとからなる化合物の合成経路の例を、図１０に示す。図１０に示すように、ＤＦ組合せ群に含まれる複数の既知ＤＦの組合せは６通りである。
【００８８】
そして、図９のＳ９０６の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦを算出する。制御部２１は、中間化合物のＵＦを、以下の手順によって算出する。
【００８９】
例として、図１０のＤＦ組合せ群における“出発化合物，既知ＤＦ１，既知ＤＦ２，既知ＤＦ３，目的化合物”の化合物の合成経路について説明する。また、出発化合物から中間化合物Ａが合成され、中間化合物Ａから中間化合物Ｂが合成され、中間化合物Ｂから目的化合物が合成される場合について説明する。まず、制御部２１は、目的化合物のＵＦから既知ＤＦ３を減算することにより、中間化合物ＢのＵＦを算出する。次に、制御部２１は、中間化合物ＢのＵＦから既知ＤＦ２を減算することにより、中間化合物ＡのＵＦを算出する。このように、制御部２１は、目的化合物のＵＦから各既知ＤＦを逐次減算することにより、図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦを算出する。
【００９０】
図９のＳ９０６の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０４の処理で作成されたＤＦ組合せ群に含まれる複数の既知ＤＦの全組合せについて、図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦを算出する。制御部２１は、図９のＳ９０４の処理で複数種類のＤＦ組合せ群が作成されている場合、各ＤＦ組合せ群について、化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦを算出する。図９のＳ９０６の処理を実行する制御部２１が、第３算出部として機能する。
【００９１】
次いで、図９のＳ９０７の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路について、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立するか否かを判定する。制御部２１は、図９のＳ９０５の処理で複数の化合物の合成経路が作成されている場合、各合成経路について、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立するか否かを判定する。
【００９２】
出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立するか否かの判定の例を説明する。
〔判定例１〕図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦがマイナスの値を有する場合、制御部２１は、その中間化合物を含む化合物の合成経路については、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立しないと判定する。中間化合物のＵＦがマイナスの値を有する場合、その中間化合物は化合物として成立しないので、制御部２１は、その中間化合物を含む化合物の合成経路については、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立しないと判定する。
【００９３】
〔判定例２〕制御部２１は、図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦの原子情報と結合情報とを比較する。そして、図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦの原子情報と結合情報との間で矛盾がある場合、制御部２１は、その中間化合物を含む化合物の合成経路については、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立しないと判定する。すなわち、中間化合物の化学構造式に含まれている部分構造の個数と、中間化合物の化学構造式に含まれている部分構造の結合状態の個数とが整合しない場合、制御部２１は、その中間化合物を含む化合物の合成経路については、出発化合物から目的化合物までの化合物の合成経路として成立しないと判定する。
【００９４】
次に、図９のＳ９０８の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０５の処理で作成された化合物の合成経路のうち、図９のＳ９０７の処理で出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立すると判定された化合物の合成経路を抽出する。
【００９５】
そして、図９のＳ９０９の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路について、化合物の合成経路に含まれる化合物の合成で用いられる酵素を決定する。この場合、制御部２１は、差分データベース１７を参照して、化合物の合成経路に含まれる化合物の合成で用いられる酵素を決定する。差分データベース１７には、既知ＤＦと既知反応酵素とが関連付けて格納されている。したがって、制御部２１は、差分データベース１７に格納されている既知ＤＦと関連付けて格納されている既知反応酵素を、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる各既知ＤＦに対して割り当てることにより、化合物の合成経路に含まれる化合物の合成で用いられる酵素を決定する。制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる各既知ＤＦに対して、差分データベース１７に格納されている複数の既知反応酵素を割り当てるようにしてもよい。
【００９６】
次いで、図９のＳ９１０の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路のそれぞれについて、化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦに基づいて、化合物の合成経路に含まれる中間化合物の名称を決定する。この場合、制御部２１は、ＵＦデータベース１５を参照して、化合物の合成経路に含まれる中間化合物の名称を決定する。制御部２１は、化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦと、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のＵＦとが一致する場合、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のＵＦと関連付けられている化合物の名称を、化合物の合成経路に含まれる中間化合物の名称として決定する。化合物のＵＦに対して複数の化合物の名称が関連付けられてＵＦデータベース１５に格納されている場合、制御部２１は、化合物の合成経路に含まれる中間化合物について、複数の名称を決定する。
【００９７】
制御部２１は、化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦと、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のＵＦとが一致しない場合、化合物の合成経路に含まれる中間化合物の名称を決定せずに、その中間化合物に所定の番号を割り当てる。本実施形態では、化合物の合成経路に含まれる中間化合物の名称を決定せずに、所定の番号が割り当てられた中間化合物を、仮想化合物と表記する。
【００９８】
例えば、化合物データベース１１に、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを関連付けて格納する場合がある。この場合、ＵＦデータベース１５には、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物のＵＦのみが格納される。ＵＦデータベース１５に、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物のＵＦのみが格納される場合、化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦと、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のＵＦとが一致しない可能性がある。
【００９９】
また、図９のＳ９１０の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路のそれぞれについて、化合物の合成経路に含まれる各反応が、既知反応であるか仮想反応であるかを決定する。化合物の合成経路に含まれる各反応が、既知反応であるか仮想反応であるかは、以下の処理によって決定される。
【０１００】
制御部２１は、差分データベース１７から、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる中間化合物の既知ＤＦと関連付けられている既知化合物ペアを抽出する。制御部２１は、抽出した既知化合物ペアの各化合物の名称と、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる化合物ペアの各化合物の名称とが一致する場合、一致する化合物ペアの反応を既知反応と決定する。制御部２１は、抽出した既知化合物ペアの各化合物の名称と、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる化合物ペアの各化合物の名称とが一致しない場合、一致しない化合物ペアの反応を仮想反応と決定する。また、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に仮想化合物が含まれている場合、仮想化合物から他の化合物を合成する反応、及び、仮想化合物を合成する反応を仮想反応と決定する。
【０１０１】
次に、図９のＳ９１１の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物までの合成経路について、熱力学的な実行可能性を判定する。
【０１０２】
熱力学的な実行可能性の判定は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる各反応における自由エネルギー変化を計算し、計算結果に基づいて各反応の向きを決定することにより行われる。図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる各反応が、正方向の反応及び可逆反応である場合、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路について熱力学的な実行可能性があると判定する。また、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる各反応に逆反応が存在する場合、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路について熱力学的な実行可能性がないと判定する。
【０１０３】
そして、図９のＳ９１２の処理において、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路のうち、熱力学的に実行可能性のある合成経路を抽出する。図９のＳ９１１及びＳ９１２の処理を実行する制御部２１が、熱力学判定部として機能する。
【０１０４】
図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に仮想化合物が含まれている場合、制御部２１は、仮想化合物の名称を決定した後に、図９のＳ９１１及びＳ９１２の処理を実行する。制御部２１は、外部ネットワーク上の機器が備えるデータベースを参照することにより仮想化合物の名称を決定してもよい。例えば、ＵＦデータベース１５に、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物のＵＦのみが格納される場合、制御部２１は、ＰｕｂＣｈｅｍ、ＢＲＥＮＤＡ、ＭｅｔａＣｙｃなどの代謝物データベースを参照することにより仮想化合物の名称を決定してもよい。また、制御部２１は、表示部２２を介して仮想化合物の名称をユーザに問い合わせ、操作部１０を介してユーザから仮想化合物の名称の入力を受け付けることにより、仮想化合物の名称を決定してもよい。
【０１０５】
熱力学的に実行可能性のある合成経路であるか否かは、化合物の化学構造を把握する必要がある。そのため、制御部２１は、図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に含まれる化合物の名称を決定し、化合物の名称から化合物の化学構造を把握して、熱力学的に実行可能性のある合成経路の判定を行っている。制御部２１は、化合物データベース１１を参照することにより、化合物の化学構造を把握してもよい。制御部２１は、外部ネットワーク上の機器が備えるデータベースを参照することにより、化合物の化学構造を把握してもよい。制御部２１は、表示部２２を介して化合物の化学構造をユーザに問い合わせ、操作部１０を介してユーザから化合物の化学構造データの入力を受け付けることにより、化合物の化学構造を把握してもよい。
【０１０６】
次いで、図９のＳ９１３の処理において、制御部２１は、図９のＳ９１２の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物のモル理論収率（％）を算出する。この場合、制御部２１は、図９のＳ９１２の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）を算出してもよい。制御部２１は、図９のＳ９１２の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）を算出する場合、既知反応データベース１２を参照して、原料化合物から出発化合物までの合成経路を作成する。そして、制御部２１は、原料化合物から出発化合物までの合成経路及び図９のＳ９１２の処理で抽出された合成経路を用いて、図９のＳ９１１の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）を算出する。原料化合物の指定は、操作部１０を介してユーザから受け付けることにより行ってもよい。この場合、制御部２１は、既知反応データベース１２に格納されている大腸菌の代謝反応に関するデータを参照して、原料化合物から出発化合物までの合成経路を作成してもよい。モル理論収率の計算は、例えば、Biotechnology and Bioengineering, Volume 42, p.59-73 (1993)に記載の方法により実施することができる。
【０１０７】
次に、図９のＳ９１４の処理において、制御部２１は、図９のＳ９１３の処理で算出されたモル理論収率（％）が閾値以上であるか（又は閾値より大きいか）否かを判定する。閾値は、例えば、０％や１００％や２００％等の任意の値を設定することが可能である。
【０１０８】
そして、図９のＳ９１５の処理において、制御部２１は、図９のＳ９１２の処理で抽出された合成経路のうち、図９のＳ９１３の処理で算出されたモル理論収率（％）が閾値以上である（又は閾値より大きい）目的化合物を合成する化合物の合成経路を抽出する。図９のＳ９１３、Ｓ９１４及びＳ９１５の処理を実行する制御部２１が、モル理論収率判定部として機能する。図９のＳ９０８の処理で抽出された化合物の合成経路に仮想化合物が含まれている場合であっても、制御部２１は、図９のＳ９１３、Ｓ９１４及びＳ９１５の処理を実行することは可能である。未知の仮想化合物を基質または生産物とする変換反応が合成経路に含まれる場合でも、仮想化合物のＵＦには仮想化合物を構成する部分構造（原子）の数情報が含まれるため、変換反応に伴う変化（分子数の増減）を把握することできる。
【０１０９】
次いで、図９のＳ９１６の処理において、制御部２１は、図９のＳ９１５の処理で抽出された合成経路について、実用的な合成経路を抽出する。実用的な合成経路の抽出は、合成経路に含まれる各反応の炭素数の変化や炭素数の大小を評価すること、個別の仮想反応酵素の改変の難易度などを考慮して行ってもよい。
【０１１０】
なお、制御部２１は、図９のＳ９１１及びＳ９１２の処理を省略してもよいし、図９のＳ９１３からＳ９１５の処理を省略してもよいし、図９のＳ９１６の処理を省略してもよい。また、制御部２１は、図９のＳ９１１及びＳ９１２の処理と、図９のＳ９１３からＳ９１５の処理と、図９のＳ９１６の処理と、を実行する順番を変更してもよい。例えば、制御部２１は、図９のＳ９１３からＳ９１５の処理を実行した後に、図９のＳ９１１及びＳ９１２の処理を実行するようにしてもよい。
【０１１１】
次に、図９のＳ９１７の処理において、制御部２１は、図９のＳ９１６の処理で抽出された合成経路と、合成経路に含まれる出発化合物、中間化合物及び目的化合物の各名称及び各ＵＦと、合成経路における各反応で用いられる酵素と、を含む情報を出力する。この場合、制御部２１は、図９のＳ９１６の処理で抽出された合成経路における各反応について、既知反応であるか又は仮想反応であるかを特定して、図９のＳ９１６の処理で抽出された合成経路の情報を出力する。制御部２１は、合成経路における各反応で用いられる酵素として、酵素ＥＣ番号を用いてもよい。図９のＳ９１６の処理で抽出された合成経路に仮想化合物が含まれている場合、制御部２１は、中間化合物の名称に代えて、中間化合物に割り当てられた所定の番号を、図９のＳ９１７の処理で出力される情報に追加する。
【０１１２】
例えば、制御部２１は、図１１に示す表１２１及び１２２によって、図９のＳ９１６の処理で抽出された合成経路と、合成経路に含まれる出発化合物、中間化合物及び目的化合物の各名称及び各ＵＦと、合成経路における各反応で用いられる酵素と、を出力してもよい。図１１は、２つの合成経路が出力された場合の例である。
【０１１３】
表１２１及び表１２２では、化合物Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤが化合物の名称であり、VC00001が仮想化合物に割り当てられた所定の番号である。表１２１において、出発化合物から中間化合物Ａを合成する反応、及び、中間化合物Ａから中間化合物Ｂを合成する反応が既知反応であることが特定されている。また、表１２１において、中間化合物Ｂから目的化合物を合成する反応が仮想反応であることが特定されている。表１２２において、出発化合物から中間化合物Ａを合成する反応が既知反応であることが特定されている。また、表１２２において、中間化合物Ａから中間化合物Ｃを合成する反応、及び、中間化合物Ｃから目的化合物を合成する反応が仮想反応であることが特定されている。
【０１１４】
表１２１及び１２２の既知反応酵素Ａ及びＢは、ＵＦ３によって特定される化合物とＵＦ４によって特定される化合物とのペアの反応に用いられる酵素である。表１２１及び１２１の既知反応酵素Ｃ及びＤは、ＵＦ５によって特定される化合物とＵＦ６によって特定される化合物とのペアの反応に用いられる酵素である。表１２１及び１２２の既知ＤＦ１は、ＵＦ３からＵＦ４を減算した値、及び、ＵＦ５からＵＦ６を減算した値の２つのパターンがある。すなわち、ＵＦ３からＵＦ４を減算した値と、ＵＦ５からＵＦ６を減算した値とは、同一の値である。したがって、表１２１及び１２２では、出発化合物から中間化合物Ａを合成する反応で用いられる酵素として、既知反応酵素Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤが割り当てられている。
【０１１５】
表１２１の既知反応酵素Ｅ及びＦは、ＵＦ７によって特定される化合物とＵＦ８によって特定される化合物とのペアにおける反応に用いられる酵素である。表１２１の既知ＤＦ２は、ＵＦ７からＵＦ８を減算した値である。したがって、表１２１では、中間化合物Ａから中間化合物Ｂを合成する反応で用いられる酵素として、既知反応酵素Ｅ及びＦが割り当てられている。
【０１１６】
表１２１の既知反応酵素Ｇ及びＨは、ＵＦ９によって特定される化合物とＵＦ１０によって特定される化合物とのペアの反応に用いられる酵素である。既知反応酵素Ｉ及びＪは、ＵＦ１１によって特定される化合物とＵＦ１２によって特定される化合物とのペアの反応に用いられる酵素である。表１２１の既知ＤＦ３は、ＵＦ９からＵＦ１０を減算した値、及び、ＵＦ１１からＵＦ１２を減算した値の２つのパターンがある。すなわち、ＵＦ９からＵＦ１０を減算した値と、ＵＦ１１からＵＦ１２を減算した値とは、同一の値である。したがって、表１２１では、中間化合物Ｂから目的化合物を合成する反応で用いられる酵素として、既知反応酵素Ｇ、Ｈ、Ｉ及びＪが割り当てられている。
【０１１７】
表１２２の既知反応酵素Ｋ及びＬは、ＵＦ１５によって特定される化合物とＵＦ１６によって特定される化合物とのペアにおける反応に用いられる酵素である。表１２２の既知ＤＦ４は、ＵＦ１５からＵＦ１６を減算した値である。したがって、表１２２では、中間化合物Ａから中間化合物Ｃを合成する反応で用いられる酵素として、既知反応酵素Ｋ及びＬが割り当てられている。
【０１１８】
表１２２の既知反応酵素Ｍ及びＮは、ＵＦ１７によって特定される化合物とＵＦ１８によって特定される化合物とのペアの反応に用いられる酵素である。既知反応酵素Ｏ及びＰは、ＵＦ１９によって特定される化合物とＵＦ２０によって特定される化合物とのペアの反応に用いられる酵素である。表１２２の既知ＤＦ５は、ＵＦ１７からＵＦ１８を減算した値、及び、ＵＦ１９からＵＦ２０を減算した値の２つのパターンがある。すなわち、ＵＦ１７からＵＦ１８を減算した値と、ＵＦ１９からＵＦ２０を減算した値とは、同一の値である。したがって、表１２２では、中間化合物Ｃから目的化合物を合成する反応で用いられる酵素として、既知反応酵素Ｍ、Ｎ、Ｏ及びＰが割り当てられている。
【０１１９】
制御部２１は、図９のＳ９１５の処理で抽出された合成経路について、図９のＳ９１３の処理で算出されたモル理論収率（％）が大きい順に順位付けを行ってもよい。更に、制御部２１は、図９のＳ９１７の処理で出力される情報に、図９のＳ９１３の処理で算出されたモル理論収率（％）が大きい順に順位付けを行った合成経路についての情報を追加してもよい。
【０１２０】
制御部２１は、図９のＳ９１７の処理で出力した情報を、データベース化して記憶部２０に記憶するようにしてもよい。また、制御部２１は、図９のＳ９１７の処理で出力した情報を、表示部２２に表示するようにしてもよい。
【０１２１】
本実施形態では、制御部２１が、化合物の化学構造を所定の基準に従ってＵＦに変換するとともに、化合物ペアの一方の化合物についてのＵＦから他方の化合物についてのＵＦを減算することによりＤＦ（第１差分値）を算出する。本実施形態では、制御部２１が、目的化合物についてのＵＦから出発化合物についてのＵＦを減算することにより出発化合物と目的化合物とのペアのＤＦ（第２差分値）を算出する。本実施形態では、制御部２１が、出発化合物から目的化合物までの合成経路における第１差分値の合計値と、第２差分値とが一致するように化合物の合成経路を作成する。化合物の合成経路は、出発化合物及び目的化合物と、複数の第１差分値とから構成される。
【０１２２】
本実施形態によれば、出発化合物及び目的化合物と、複数の第１差分値とから構成される化合物の合成経路を作成することにより、出発化合物から目的化合物までの新規の化合物の合成経路を作成することが可能となる。本実施形態では、作成された出発化合物から目的化合物までの合成経路に含まれる化合物は、既知化合物であってもよいし、仮想化合物（未知化合物）であってもよい。したがって、本実施形態によれば、仮想化合物を含む合成経路を作成することが可能となる。本実施形態では、作成された出発化合物から目的化合物までの合成経路に含まれる化合物ペアにおける反応は、既知反応であってもよいし、仮想反応（未知反応）であってもよい。したがって、本実施形態によれば、仮想反応を含む合成経路を作成することができる。
【０１２３】
本実施形態では、作成された出発化合物から目的化合物までの合成経路に含まれる第１差分値に対して既知反応酵素が割り当てられている。本実施形態によれば、出発化合物から目的化合物までの化合物の合成経路に含まれる仮想反応に既知反応酵素を用いることができる。
【０１２４】
＜３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法〜１＞
本発明の３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法の第一の態様は、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸して３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む。この工程は、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸して３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する酵素、または該酵素の活性が非改変株と比べて高められた微生物を用いて行う。
【０１２５】
ここで、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸して３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する酵素としては、EC 1.1.1.92として登録されているオキサログリコール酸レダクターゼ（oxaloglycolate reductase）が挙げられる。この酵素については、例えば、反応系に基質としてオキサログリコール酸やオキサロ酢酸を添加し、還元反応に伴うNADHのNAD+への酸化に基づく吸光度（約340nm）の変化を指標にして活性を測定することができる。そして該活性を指標として、例えば、J. Biol. Chem. Vol. 243, No. 10, pp2486-2493 (1968) に記載されたような方法で、シュードモナス属細菌、エシェリヒア属細菌、バチルス属細菌、コリネ型細菌、酵母などから精製することができる。なお、部分精製酵素や該酵素の活性を有する画分を使用してもよい。また、遺伝子組み換えによって作製される組換え酵素を用いてもよい。
【０１２６】
オキサログリコール酸レダクターゼの活性を有する微生物は、精製蛋白質の配列をもとに該酵素をコードするDNAを取得し、これをエシェリヒア属細菌などの適当な宿主に、ベクターや相同組換えなどを利用した形質転換法等により導入することで得ることができる。また、宿主染色体上のオキサログリコール酸レダクターゼをコードする遺伝子のプロモーターを強力なプロモーターに置換することによっても該酵素の活性を有する微生物を得ることができる。なお、該活性を天然に有する微生物を用いてもよい。
【０１２７】
微生物の種類は特に限定されないが、大腸菌（エシェリヒア属細菌）、コリネ型細菌、シュードモナス属細菌、バチルス属細菌、リゾビウム属細菌、ラクトバチルス属細菌、サクシノバチルス属細菌、アナエロビオスピリラム属細菌、アクチノバチルス属細菌、糸状菌、酵母等が例示される。なお、微生物は微生物の処理物を用いてもよい。処理物としては、アセトン、トルエン等で処理した菌体、凍結乾燥菌体、菌体破砕物、菌体を破砕した無細胞抽出物等が挙げられる。また、常法により担体に固定化した菌体、該処理物、酵素等を用いることもできる。
【０１２８】
オキサログリコール酸レダクターゼまたはオキサログリコール酸レダクターゼの活性を有する微生物の菌体もしくはその処理物を、オキサロ酢酸を含む反応液中に加え、通常２０〜４０℃で反応させることにより３−ヒドロキシプロピオン酸を生成させることができる。ただし、この酵素は補酵素NADHを必要とするので反応系にNADHを存在させる必要がある。効率的に反応を進めるには、NAD+からNADHを再生する酵素反応をカップルさせることが好ましい。微生物を用いる場合は、オキサログリコール酸レダクターゼの活性が高められ、かつ、NAD+からNADHを再生する能力を有する微生物を用いることが好ましい。
【０１２９】
また、３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、オキサログリコール酸レダクターゼの活性を有する微生物を用い、グルコースなどの炭素源から発酵法により３−ヒドロキシプロピオン酸を製造することもできる。この場合、微生物の培養に用いる培地及び培養条件は、使用する微生物の種類に応じて適宜設定することができるが、炭素源、窒素源、無機塩及び必要に応じその他の有機微量栄養素を含有する通常の培地を用いることができる。培養は、用いる微生物の生育に好適な条件で行われる。通常、培養温度１０℃〜４５℃で１２〜９６時間実施する。なお、「３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し」とは炭素源を含む培地中で培養したときに培地または菌体内に３−ヒドロキシプロピオン酸を蓄積しうる能力を有することをいう。
【０１３０】
微生物の培養におけるｐＨは、宿主の生育を妨害せず、かつ培養液から３−ヒドロキシプロピオン酸を分離するときの障害とならない試薬を用いて調整する。ｐＨ調整には無機又は有機の酸性又はアルカリ性物質、更にアンモニアガス等を使用することができる。炭酸ナトリウム、アンモニア、ナトリウムイオン供給源、例えば塩化ナトリウムを添加してもよい。また、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化アンモニウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、炭酸ナトリウム水溶液、酢酸カリウム水溶液等の一般的なアルカリ試薬を用いてもよい。培養中、ｐＨは、５．０以上、好ましくは５．５以上で、１０．０以下、好ましくは９．７以下に保持する。
【０１３１】
炭素源は、上記微生物が資化して３−ヒドロキシプロピオン酸を生成させうる炭素源であれば特に限定されないが、例えば、ガラクトース、ラクトース、グルコース、フルクトース、グリセロール、シュークロース、サッカロース、デンプン、セルロース等の炭水化物；グリセリン、マンニトール、キシリトール、リビトール等のポリアルコール類等の発酵性糖質が用いられる。
【０１３２】
窒素源としては、例えば、アンモニア、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、リン酸アンモニウム等のアンモニウム塩の他、ペプトン、肉エキス、酵母エキス、コーンスティープリカー等が用いられる。
【０１３３】
無機塩としては、例えば、リン酸第一カリウム、リン酸第二カリウム、リン酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化ナトリウム等が用いられる。
【０１３４】
また、ビオチン、パントテン酸、イノシトール、ニコチン酸等のビタミン類、ヌクレオチド、アミノ酸などの生育を促進する因子を必要に応じて添加してもよい。
【０１３５】
３−ヒドロキシプロピオン酸の精製法は当該技術分野において周知である。例えば、有機溶媒を用いる抽出、蒸留及びカラムクロマトグラフィーなどにより、培地から３−ヒドロキシプロピオン酸を得ることができる（米国特許第５，３５６，８１２号）。培地を高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）分析にかけることにより、３−ヒドロキシプロピオン酸を直接同定することもできる。
【０１３６】
上記方法によって得られた３−ヒドロキシプロピオン酸は、脱水することによりアクリル酸の製造に使用できる。３−ヒドロキシプロピオン酸の脱水は、公知の反応によって実施することができる。例えば、ＵＳ２４６９７０１にも記載されているように、３−ヒドロキシプロピオン酸は、触媒の存在下で減圧蒸留することにより容易にアクリル酸に変換することができる。
【０１３７】
＜３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法〜２＞
本発明の３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法第二の態様は、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する工程、およびマロン酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む。ここで、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する工程は、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する酵素、または該酵素の活性が非改変株と比べて高められた微生物を用いて行う。
【０１３８】
ここで、オキサロ酢酸を還元的に脱炭酸してマロン酸に変換する酵素としては、EC1.2.4.-として登録されている反応を触媒する酵素が挙げられる。この酵素は、酵素活性を指標として、例えば、シュードモナス属細菌、エシェリヒア属細菌、バチルス属細菌、コリネ型細菌、酵母などから精製することができる。なお、部分精製酵素や該酵素の活性を有する画分を使用してもよい。また、遺伝子組み換えによって作製される組換え酵素を用いてもよい。
【０１３９】
該酵素の活性を有する微生物は、該酵素をコードするDNAを取得し、これをエシェリヒア属細菌などの適当な宿主に、ベクターや相同組換えなどを利用した形質転換法等により導入することで得ることができる。また、宿主染色体上の該酵素をコードする遺伝子のプロモーターを強力なプロモーターに置換することによっても該酵素の活性を有する微生物を得ることができる。なお、該活性を天然に有する微生物を用いてもよい。
【０１４０】
微生物の種類は特に限定されず、上述したような微生物を用いることができる。なお、微生物は微生物の処理物を用いてもよい。処理物としては、アセトン、トルエン等で処理した菌体、凍結乾燥菌体、菌体破砕物、菌体を破砕した無細胞抽出物等が挙げられる。また、常法により担体に固定化した菌体、該処理物、酵素等を用いることもできる。
【０１４１】
上記酵素または該酵素の活性を有する微生物の菌体もしくはその処理物を、オキサロ酢酸を含む反応液中に加え、通常２０〜４０℃で反応させることによりマロン酸を生成させることができる。ただし、この酵素は補酵素NADHを必要とするので反応系にNADHを存在させる必要がある。効率的に反応を進めるには、NAD+からNADHを再生する酵素反応をカップルさせることが好ましい。微生物を用いる場合は、該酵素の活性が高められ、かつ、NAD+からNADHを再生する能力を有する微生物を用いることが好ましい。
【０１４２】
マロン酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程はEC1.2.1.15として登録されている反応を触媒する酵素（Biochim. Biophys. Acta. 50 (1961) 147-52.）およびEC1.1.1.59として登録されている反応を触媒する酵素（J. Biol. Chem. 234 (1959) 1666-71.）を用いて行うことができる。これらの酵素は、精製や遺伝子組み換えなどにより得ることができる。この工程についても通常２０〜４０℃で行うことができる。なお、両酵素の反応を別々に行ってもよい。
【０１４３】
また、EC1.2.4.-として登録されている反応を触媒する酵素と、malonate-semialdehyde dehydrogenase および3-hydroxypropionate dehydrogenaseを共存させ、両工程を同一反応系で連続的に行ってオキサロ酢酸から３−ヒドロキシプロピオン酸を生成させることが好ましい。したがって、微生物を用いる場合は、EC1.2.4.-として登録されている反応を触媒する酵素の活性が高められ、かつmalonate-semialdehyde dehydrogenase および3-hydroxypropionate dehydrogenase活性も高められた微生物を用いることが好ましい。
【０１４４】
また、３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、上記酵素の活性を有する微生物、好ましくは、３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、EC1.2.4.-として登録されている反応を触媒する酵素の活性が高められ、かつmalonate-semialdehyde dehydrogenase および3-hydroxypropionate dehydrogenase の活性も高められた微生物を用い、グルコースなどの炭素源から発酵法により３−ヒドロキシプロピオン酸を製造することもできる。
なお、培養条件や３−ヒドロキシプロピオン酸の精製法は上述したとおりである。
【０１４５】
＜３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法〜３＞
本発明の３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法の第三の態様は、ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する工程、および蟻酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む。
ここで、ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する工程は、ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する酵素、または該酵素の活性が非改変株と比べて高められた微生物を用いて行う。
【０１４６】
ここで、ピルビン酸を脱炭酸して蟻酸に変換する酵素としては、EC 4.1.1.71として登録されている、２−オキソグルタル酸デカルボキシラーゼ（2-oxoglutarate decarboxylase）が挙げられる。この酵素については、例えば、FEBS Lett. 195 (1986) 43-47に記載の方法に従って活性を測定することができる。そして該活性を指標として、例えば、 Arch Biochem Biophys. 288 (1991) 22-28に記載されたような方法で、シュードモナス属細菌、エシェリヒア属細菌、バチルス属細菌、コリネ型細菌、酵母などから精製することができる。なお、部分精製酵素や該酵素の活性を有する画分を使用してもよい。また、遺伝子組み換えによって作製される組換え酵素を用いてもよい。
【０１４７】
該酵素の活性を有する微生物は、公知の配列をもとに該酵素をコードするDNAを取得し、これをエシェリヒア属細菌などの適当な宿主に、ベクターや相同組換えなどを利用した形質転換法等により導入することで得ることができる。また、宿主染色体上の該酵素をコードする遺伝子のプロモーターを強力なプロモーターに置換することによっても該酵素の活性を有する微生物を得ることができる。なお、該活性を天然に有する微生物を用いてもよい。
【０１４８】
公知の配列としては特に制限されないが、エシェリヒア・コリの２−オキソグルタル酸デカルボキシラーゼをコードする配列番号１の塩基配列が例示される。ただし、２−オキソグルタル酸デカルボキシラーゼ活性を有する蛋白質をコードする限り、上記塩基配列の相補配列を有するDNAとストリンジェントな条件でハイブリダイズするDNAのようなホモログであってもよい。ここで、ストリンジェントな条件としては、通常のサザンハイブリダイゼーションの洗いの条件である６０℃、１×ＳＳＣ，０．１％ＳＤＳ、好ましくは、０．１×ＳＳＣ、０．１％ＳＤＳに相当する塩濃度でハイブリダイズする条件が挙げられる。また、配列番号２のアミノ酸配列と８０％以上、好ましくは９０%以上、より好ましくは９５%以上、特に好ましくは９９%以上の同一性を有し、２−オキソグルタル酸デカルボキシラーゼ活性を有するタンパク質をコードするDNAであってもよい。
【０１４９】
微生物の種類は特に限定されず、上述したような微生物を用いることができる。なお、微生物は微生物の処理物を用いてもよい。処理物としては、アセトン、トルエン等で処理した菌体、凍結乾燥菌体、菌体破砕物、菌体を破砕した無細胞抽出物等が挙げられる。また、常法により担体に固定化した菌体、該処理物、酵素等を用いることもできる。
【０１５０】
上記酵素または該酵素の活性を有する微生物の菌体もしくはその処理物を、ピルビン酸を含む反応液中に加え、通常２０〜４０℃で反応させることにより蟻酸を生成させることができる。
【０１５１】
蟻酸を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程はmalonate semialdehyde decarboxylase（EC 1.2.1.18）という酵素を用いて行うことができる。この酵素は J Biol Chem. 2003 (49) 48674-48683に記載されており、精製や遺伝子組み換えなどにより得ることができる。この工程についても通常２０〜４０℃で行うことができる。
【０１５２】
ただし、２−オキソグルタル酸デカルボキシラーゼとmalonate semialdehyde decarboxylaseを共存させ、両工程を同一反応系で連続的に行ってピルビン酸から３−ヒドロキシプロピオン酸を生成させることが好ましい。したがって、微生物を用いる場合は、２−オキソグルタル酸デカルボキシラーゼ活性が高められ、かつmalonate semialdehyde decarboxylaseの活性も高められた微生物を用いることが好ましい。
【０１５３】
また、３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、上記酵素の活性を有する微生物、好ましくは、３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、２−オキソグルタル酸デカルボキシラーゼ活性が高められ、かつmalonate semialdehyde decarboxylase活性も高められた微生物を用い、グルコースなどの炭素源から発酵法により３−ヒドロキシプロピオン酸を製造することもできる。
なお、培養条件や３−ヒドロキシプロピオン酸の精製法は上述したとおりである。
【０１５４】
＜３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法〜４＞
本発明の３−ヒドロキシプロピオン酸の製造方法の第四の態様は、C02107（(S,S)-Tartaric acid）をC00222（3-Oxopropanoate）に変換する工程、およびC00222を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程を含む。
ここで、C02107（(S,S)-Tartaric acid）をC00222（3-Oxopropanoate）に変換する工程は、C02107をC00222に変換する酵素、または該酵素の活性が非改変株と比べて高められた微生物を用いて行う。
【０１５５】
ここで、C02107をC00222に変換する酵素としては、4.2.1.41として登録されている、5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydrataseが挙げられる。この酵素については、例えば、Biochem. J. 115 (1969) 977-83.に記載の方法に従って活性を測定することができる。そして該活性を指標として、同文献に記載されたような方法で、シュードモナス属細菌、エシェリヒア属細菌、バチルス属細菌、コリネ型細菌、酵母などから精製することができる。なお、部分精製酵素や該酵素の活性を有する画分を使用してもよい。また、遺伝子組み換えによって作製される組換え酵素を用いてもよい。
【０１５６】
該酵素の活性を有する微生物は、公知の配列をもとに該酵素をコードするDNAを取得し、これをエシェリヒア属細菌などの適当な宿主に、ベクターや相同組換えなどを利用した形質転換法等により導入することで得ることができる。また、宿主染色体上の該酵素をコードする遺伝子のプロモーターを強力なプロモーターに置換することによっても該酵素の活性を有する微生物を得ることができる。なお、該活性を天然に有する微生物を用いてもよい。
【０１５７】
公知の配列としては特に制限されないが、Bacillus subtilisの5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydrataseが挙げられる。この酵素については、例えば、5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydrataseをコードする配列番号３の塩基配列が例示される。ただし、5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydratase活性を有する蛋白質をコードする限り、上記塩基配列の相補配列を有するDNAとストリンジェントな条件でハイブリダイズするDNAのようなホモログであってもよい。ここで、ストリンジェントな条件としては、通常のサザンハイブリダイゼーションの洗いの条件である６０℃、１×ＳＳＣ，０．１％ＳＤＳ、好ましくは、０．１×ＳＳＣ、０．１％ＳＤＳに相当する塩濃度でハイブリダイズする条件が挙げられる。また、配列番号４のアミノ酸配列と８０％以上、好ましくは９０%以上、より好ましくは９５%以上、特に好ましくは９９%以上の同一性を有し、5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydratase活性を有するタンパク質をコードするDNAであってもよい。
【０１５８】
微生物の種類は特に限定されず、上述したような微生物を用いることができる。なお、微生物は微生物の処理物を用いてもよい。処理物としては、アセトン、トルエン等で処理した菌体、凍結乾燥菌体、菌体破砕物、菌体を破砕した無細胞抽出物等が挙げられる。また、常法により担体に固定化した菌体、該処理物、酵素等を用いることもできる。
【０１５９】
上記酵素または該酵素の活性を有する微生物の菌体もしくはその処理物を、C02107を含む反応液中に加え、通常２０〜４０℃で反応させることによりC00222を生成させることができる。
【０１６０】
C00222を３−ヒドロキシプロピオン酸に変換する工程はhydroxypropionate dehydrogenaseという酵素を用いて行うことができる。この酵素はJ. Biol. Chem. 234 (1959) 1666-71.に記載されており、精製や遺伝子組み換えなどにより得ることができる。この工程についても通常２０〜４０℃で行うことができる。ただし、この反応は補酵素NAD+を必要とするので反応系にNAD+を存在させる必要がある。効率的に反応を進めるには、NADHからNAD+を再生する酵素反応をカップルさせることが好ましい。微生物を用いる場合は、該酵素の活性が高められ、かつ、NADHからNAD+を再生する能力を有する微生物を用いることが好ましい。
【０１６１】
ただし、5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydrataseとhydroxypropionate dehydrogenaseを共存させ、両工程を同一反応系で連続的に行ってC02107から３−ヒドロキシプロピオン酸を生成させることが好ましい。したがって、微生物を用いる場合は、5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydratase活性が高められ、かつhydroxypropionate dehydrogenase活性も高められた微生物を用いることが好ましい。
【０１６２】
また、３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、上記酵素の活性を有する微生物、好ましくは、３−ヒドロキシプロピオン酸生産能を有し、5-dehydro-4-deoxyglucarate dehydrataseが高められ、かつhydroxypropionate dehydrogenase活性も高められた微生物を用い、グルコースなどの炭素源から発酵法により３−ヒドロキシプロピオン酸を製造することもできる。
なお、培養条件や３−ヒドロキシプロピオン酸の精製法は上述したとおりである。
【０１６３】
＜クロトニルアルコールおよびブタジエンの製造方法＞
本発明のクロトニルアルコールの製造方法は、アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する工程、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する工程、３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する工程、クロトニル-CoAをクロトニルアルデヒドに変換する工程、およびクロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する工程を含む。
ここで、アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する工程、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する工程、３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する工程、クロトニル-CoAをクロトニルアルデヒドに変換する工程、およびクロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する工程は、これらの変換反応を触媒する酵素、または該酵素の活性を有する微生物、好ましくは、アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する酵素活性、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する酵素活性、および３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する酵素活性を有し、クロトニル-CoAをクロトニルアルデヒドに変換する酵素活性およびクロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する活性が非改変株と比べて高められた微生物を用いて行う。
【０１６４】
アセチル-CoAをアセト-アセチル-CoAに変換する酵素としてはAcetyl-CoA acetyltransferase (EC1.3.1.9)が挙げられ、アセト-アセチル-CoAを３−ヒドロキシブチル-CoAに変換する酵素としては3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase (1.1.1.157)が挙げられ、３−ヒドロキシブチル-CoAをクロトニル-CoAに変換する酵素としてはEnoyl-CoA hydratase(EC4.2.1.17)が挙げられる。
これらの酵素は多くの微生物で保存されており、例えば、３−ヒドロキシブチル-CoAは、クロストリジウム属の微生物などにより、Acetyl-CoA acetyltransferaseおよび、3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenaseを経て、合成されることが知られている(Youngleson S. at el., J Bac.171:6800-6807 (1989））。また、大腸菌においても、Acetyl-CoA acetyltransferase、3-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase、Enoyl-CoA hydrataseをコードする遺伝子はそれぞれ大腸菌の染色体上に存在しており、菌体内部で活性が存在すること知られている（Duncombe G et al., Arch Biochem Biophys. 176:159-170 (1976); Yang S. and Schulz H., J. Biol. Chem. 258:9780-9785(1983); ObrienW., J. Bac. 132:532-540 (1977) ）。
【０１６５】
Acetyl-CoAはどの生物においてもグルコース合成される代謝中間体であるため、大腸菌などを宿主に用いてクロトニルアルコールを合成させる場合、クロトニル-CoA をクロトニルアルデヒドに変換する酵素であるCrotonyl-CoA reductaseと、クロトニルアルデヒドをクロトニルアルコールに変換する酵素であるCrotonyl alcohol hydrogenaseをコードするそれぞれの遺伝子をともに用いて大腸菌などの宿主を形質転換することが必要である。
【０１６６】
下記に、Crotonyl-CoA reductaseおよび、Crotonyl alcohol dehydrogenaseの遺伝子候補と、それらを利用してCrotonyl alcoholを醗酵生産する微生物を作成する方法の具体例を説明する。
【０１６７】
＜Crotonyl-CoA reductase（クロトニル−CoAからクロトアルデヒドを生成する還元酵素）の候補遺伝子＞
クロトニル−CoAの還元反応は、補酵素Aエステル還元酵素による。その中でも、２−エン構造を持つ、シナモイルCoAリダクターゼ(EC 1.2.1.44)（CCR）が候補として挙げられる。シナモイルCoAリダクターゼは高等植物におけるリグニンの生合成に必要な酵素であり、これらの植物には普遍的に存在すると考えられる。シロイヌナズナには２つのイソザイムが存在し、AtCCR1及びAtCCR2と呼ばれる。互いに約８２％の相同性があり（タンパク質配列あたり）、それぞれは大腸菌で機能的に発現されている（Lauvergeat V Phytochemistry. 2001 57(7):1187-95）。その結果によると、AtCCR1はフェルオイルCoA( feruloyl-CoA)やシナポイルCoA(sinapoyl-CoA)に対してAtCCR2に比べ約5倍反応性が高いなどその基質により反応性に違いが見られる。
同様にポプラ由来のCCRタンパク質も大腸菌で発現され、その基質特異性について詳細に調べられている。Liらによると、ポプラ由来CCRタンパク質はシナモイルCoAのうち、フェルオイルCoA(Feruloyl-CoA)に最も高い親和性を示し反応速度も高い（Li L et al, Plant Cell Physiol. 2005 46(7):1073-82）。Caffeoyl-CoAに対して親和性は中程度なものの飽和最大速度が著しく低く、Feruloyl-CoA存在下では反応が阻害される。一方、5-hydroxyferuloyl-CoAないしSinapoyl-CoAに対しては親和性が低く、このようにシナモイルCoAリダクターゼのその基質選択性は広いものの反応性は大きく変化することがわかる。シナモイルCoAリダクターゼをコードする遺伝子配列が報告されているものは、他にもヨーロッパブドウ（Vitis vinifera）、イネ（Oryza sativa japonica）、モロコシ（Sorghum bicolor）、ヒメツリガネコケ（Physcomitrella patens）など多くある。
【０１６８】
【表１】
2012081723.tif 000003
【０１６９】
シナモイルCoAリダクターゼと同様に、アルデヒドと補酵素Aエステルの酸化還元反応を行う酵素群は他にもある。アセトアルデヒドとアセチルCoAとの反応を行うアセトアルデヒド脱水素酵素(EC 1.2.1.10)はエチルアルコールを酢酸へと代謝する一連の反応にみられる。宿主として有効であると考えられる大腸菌が保持するアセトアルデヒド脱水素酵素は、adhE遺伝子およびmhpF遺伝子にコードされている。うちmhpF遺伝子は3-(3-ヒドロキシフェニル)プロピオン酸 (3-HPP) 異化経路の一連の遺伝子とオペロンを形成しており、同経路の最終反応を行っていると考えられている。
シュードモナスプチダ株も複数のアセトアルデヒド脱水素酵素を保持している。dmpF遺伝子はフェノールなどの分解を行うメタ開裂経路に必要なタンパク質をコードする遺伝子群とオペロンを形成し、大腸菌で活性型で発現することが示されている。Powlowski J.et al, (J. Bacteriol. 1993 175, 377-385)。さらにトルエンを分解する系の遺伝子とオペロンを形成しているTodI（Lau P et al, Gene,146(1) 1994; 7-13）が見出されている。
さらに、マロン酸セミアルデヒドデヒドロゲナーゼ(EC 1.2.1.18)をコードするマウスAldh6A1(Alnouti Y and Klaassen CD. Toxicol Sci. 2008 101(1):51-64)も使用しうる。
【０１７０】
【表２】
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【０１７１】
長鎖脂肪酸アルコールと補酵素Aエステルの酸化還元酵素も有用であると考えられる。アシネトバクター属などはワックスエステルを生成することが知られているが、これをつかさどる酵素のひとつがヘキサデカナールデヒドロゲナーゼ（アシル化）(EC 1.2.1.42)であり、コードするAcr1遺伝子（Reiser S and Somerville C J. Bacteriol. 1997 179, 2969-2975）はクローニングされ、大腸菌を宿主としての活性が確認されている。
【０１７２】
【表３】
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【０１７３】
＜Crotonyl alcohol dehydrogenase（Crotonyl-aldehydeからCrotonyl alcoholを生成する脱水素酵素）の候補遺伝子＞
Crotonyl-aldehydeの還元反応はアルコールデヒドロゲナーゼ(EC 1.1.1.1)により達成される反応であり、2−エン１−オン構造への反応性が高い酵素が望ましい。例えば、サッカロミセスセレビジエのADH1-3遺伝子にコードされるアルコールデヒドロゲナーゼはアリルアルコールである4-ジメチルアミノ-トランス-シンナムアルデヒドを基質とすることが報告されている(Leskovac V et al, FEMS Yeast Res. 2002 2(4):481-94)。バジルより見出されたアルコールデヒドロゲナーゼの一種であるGEDH1は大腸菌によって過剰発現された後に精製した酵素を用いて分析を行った結果、ゲラニオールなどのテルペンアルコール類のほか、シナミルアルコールを基質とすることが示されており、大腸菌を宿主としたクロトニルアルデヒドの還元反応が実施できる(Iijima Y et al, Arch Biochem Biophys.2006 448(1-2):141-149)。同様にシロイヌナズナのシナミルアルコールデヒドロゲナーゼ（EC 1.1.1.195）であるAtCAD5 a及び AtCAD4も、大腸菌で発現され詳細な立体構造解析がされている（Youn B et al, Org. Biomol. Chem., 2006, 4, 1687-1697）
【０１７４】
またフラボバクテリウム属由来のAlcdh(Genbank AB084581.1)遺伝子にコードされるアルコールデヒドロゲナーゼ（Kazuoka T et al, Extremophiles. 2007 11(2):257-67）やチモモナス属由来のZMO1696遺伝子にコードされるアルコールデヒドロゲナーゼ（Kinoshita, S et al, Appl. Microbiol. Biotechnol.1985 22:249-254）においてもアリルアルコールの酸化反応が報告されており、原核生物由来のアルコールデヒドロゲナーゼも本反応に利用できる。さらに、大腸菌No.17株から精製されたアルコールデヒドロゲナーゼもアリルアルコールとアクロレインの反応を行う報告があり(Otsuka K, J. Gen. Appl. Microbiol. 1958 4(4):211-215)、宿主として大腸菌を用いた場合には、自身がもつアルコールデヒドロゲナーゼにより本反応が実施されることも期待できる。
Crotonyl-aldehydeを基質とする報告は今のところないが、ウマEquus caballusの肝臓由来アルコールデヒドロゲナーゼはCrotonyl alcoholをCrotonyl-aldehydeへ酸化する逆反応があることが示されており(Fontaine FR et al, Chem. Res. Toxicol., 2002, 15 (8) 1051-1058)、哺乳動物由来のアルコールデヒドロゲナーゼがCrotonyl-aldehydeを基質とした還元反応が可能であることを示唆している。
【０１７５】
【表４】
2012081723.tif 000006
【０１７６】
＜クロトニルアルコールをバイオ法で合成する微生物を作製する具体例＞
クロトニルアルコールを生産する能力を有する大腸菌株は一般的な分子生物学的手法（Ausubel et al, Current Protocol in Molecular Biology (2003); Sambrook et al, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 3rd Edition (2001) など）を用いることにより、次の手順で作成することができる。
例えば上記のArabidopsis thaliana由来CCR1 遺伝子( Genbank受入番号: NC_003070.9 )とOcimum basilicum由来GEDH1遺伝子(Genbank受入番号: AY879285.1 )を連結した上で、この連結遺伝子を大腸菌プラスミドベクターｐＵＣ１９（タカラバイオ社製）のｌａｃプロモーター下流側に組み込んだプラスミドｐＣＣＲ１−ＧＥＤＨ１を構築する。さらに、このプラスミドＤＮＡで大腸菌ＪＭ１０９株を形質転換することによりCCR1とGEDH1を保持する組み換え大腸菌株を作製し、この大腸菌株をＪＭ１０９／ｐＣＣＲ１−ＧＥＤＨ１と命名する。
【０１７７】
ＪＭ１０９／ｐＣＣＲ１−ＧＥＤＨ１は当業者に周知の方法（日本生物工学会編,生物工学実験書(2002); Vogel H. et al, Fermentation and Biochemical Engineering Handbook, 2nd Ed.(2007) など）により培養することができる。例えば、２０g/Lのグルコース、５０μｇ／ｍｌアンピシリン、０．２ｍＭ ＩＰＴＧ（イソプロピル−β−Ｄ−チオガラクトピラノシド）を添加した最小合成培地１００ｍｌに大腸菌ＪＭ１０９／ｐＣＣＲ１−ＧＥＤＨ１を播種し、フラスコを用いることで、３７℃で２４時間以上培養することができる。ジャーファーメンターを使用して培養を実施する際は、基質の供給速度、攪拌回転数、通気量、ｐＨなどを適正な範囲で制御することができる。必要に応じて、嫌気条件、微好気条件、好気条件を選択することができる。また、回分培養、半回分培養、連続培養などの形態を自由に選択することができる。
【０１７８】
培養液中のクロトニルアルコールの濃度は、高速液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー質量分析装置（ＧＣ−ＭＳ）、液体クロマトグラフィー質量分析装置（ＬＣ−ＭＳ）などにより測定することができる。
【０１７９】
また、CCR1およびGEDH1遺伝子が発現していることの確認は、ノーザンブロット法、リアルタイムＰＣＲ法、免疫ブロット法などの当業者に周知の方法により調べることができる。
【０１８０】
一般的な分子生物学的手法（Ausubel et al, Current Protocol in Molecular Biology (2003); Sambrook et al, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 3rd Edition (2001) など）により、大腸菌株ＪＭ１０９／ｐＣＣＲ１−ＧＥＤＨ１は改良することができ、クロトニルアルコールの生産性を改善することができる。例えば、クロトニルアルコール生産経路の律速反応となっている酵素に関して、遺伝子コピー数を増やすこと、コドン最適化、または酵素活性部位近辺のアミノ酸置換により酵素活性を増加させ、クロトニルアルコールの生産性を改善することできる。また、副生成物を生産する反応を触媒する酵素の遺伝子を破壊することなどでCrotonyl alcoholの生産性を改善することもできる。また、ＮＴＧや紫外線による変異処理を行いクロトニルアルコール生産性が向上した菌体を選抜することを繰り返し行う方法を利用することもできる。
【０１８１】
＜ブタジエンの製造方法＞
上記のようにして得られたクロトニルアルコールを脱水反応に供することで、ブタジエンを得ることができる。例えば、モリブデン酸ビスマス触媒によりクロトニルアルコールからブタジエンが生成することをAdamsらが報告している（Ind. Eng. Chem.,1969,61(6), pp 30-33）。グルコースなどの糖を原料としてクロトニルアルコールを微生物による醗酵生産し、必要に応じて単離したクロトニルアルコールをAdamsらの方法などでブタジエンに変換することで、原油を使用せずにブタジエンを製造することが可能である。
【０１８２】
以下、実施例について説明する。ただし、本発明の実施形態は、以下の実施例に限定されない。
【実施例１】
【０１８３】
本実施形態に係る第１の実施例（以下、実施例１という）を説明する。実施例１は、合成経路作成装置１が実行する仮想反応法による化合物合成経路の作成の具体例であるが、実施例１に係る数値は、例示であって、本実施形態は、実施例１の数値に限定されるものではない。【０１８４】
実施例１では、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータと、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物に加えて目的化合物（非天然化合物を含む）の化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータとを使用して、１万３２１３個の化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを化合物データベース１１に格納した。ＫＥＧＧのデータベースの全化合物についてKEGG ATOM TYPEで表記されたＫＦＣフォーマットデータをＫＥＧＧデータベースからダウンロードすることにより、化合物データベース１１に化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを格納した。ＫＥＧＧデータベースに登録されていない化合物は、ＫｅｇＤｒａｗツールを使用してＫＦＣフォーマットに変換した。【０１８５】
上記条件において、出発化合物としてピルビン酸が指定され、目的化合物として3−Hydroxypropionateが指定されて、化合物の合成経路の作成を開始した。制御部２１が、図６のＳ６０１の処理を行うことにより、１万３２１３個の化合物のＵＦが作成され、ＵＦデータベース１５に格納された。制御部２１が、図６のＳ６０２の処理を行うことにより、約１億７４００万個のＤＦが算出され、差分データベース１６に格納された。【０１８６】
制御部２１が図６のＳ６０３及びＳ６０４の処理を行うことにより、約１３万４０００個の未知反応が仮想反応として決定され、制御部２１により図６のＳ６０５の処理が行われた。制御部２１が、図６のＳ６０６の処理を行うことにより、既知反応および仮想反応を含むグラフ（ネットワーク）が作成された。【０１８７】
制御部２１が図６のＳ６０７の処理を行うことにより、出発化合物を開始点、目的化合物を終点とする順方向探索法により、作成された合成経路の探索が行われた。【０１８８】
４以下の反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路を選択するという条件下で、制御部２１が図６のＳ６０８の処理を行うことにより、４以下の反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路が選択された。１以下の仮想反応ステップを含む出発化合物から目的化合物までの合成経路を抽出するという条件下で、制御部２１が図６のＳ６０９の処理を行うことにより、５０個の化合物の合成経路が、出発化合物から目的化合物までの合成経路として抽出された。【０１８９】
制御部２１が図６のＳ６１０及びＳ６１１の処理を行うことにより、５０個の化合物の合成経路のうち２４個の化合物の合成経路が、熱力学的に実行可能性のある合成経路として抽出された。原料化合物としてグルコースが指定され、制御部２１が図６のＳ６１２の処理を行うことにより、原料化合物から出発化合物までの合成経路が作成された。この場合、制御部２１は、既知反応データベース１２に格納されている大腸菌の代謝反応に関するデータを参照する。そして、制御部２１が図６のＳ６１２の処理を行うことにより、図６のＳ６１１の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）が算出された。原料化合物としてグルコースが指定され、原料化合物からのモル理論収率（％）が２００％以上である目的化合物を合成する化合物の合成経路を抽出するという条件下で、制御部２１が図６のＳ６１３及びＳ６１４の処理を行うことにより、１３個の化合物の合成経路が抽出された。制御部２１が図６のＳ６１５の処理を行うことにより、５個の化合物の合成経路が実用的な合成経路として抽出された。【０１９０】
最終的に抽出された化合物の合成経路の中には、Cargillが独自に見出して、特許文献（ＷＯ／２００６／０２２６６４）に記載されているルート（ピルビン酸（pyruvate）→αアラニン（α-alanine）→βアラニン（β-alanine）→マロン酸セミアルデヒド（malonate semialdehyde）→３ＨＰ（3−hydroxypropionate））が含まれていた（下記式１参照）。
【化１】
2012081723.tif 000007
【０１９１】
αアラニンをβアラニンに変換する酵素は、リジン２，３アミノムターゼ（EC5.4.3.2）を改変して作成された非天然型酵素であり、ＫＥＧＧデータベースには登録されていない。また、最終的に抽出された他の４つの合成経路を下記式２−５に示す。
【化２】
2012081723.tif 000008
【化３】
2012081723.tif 000009
【化４】
2012081723.tif 000010
【化５】
2012081723.tif 000011
【実施例２】
【０１９２】
本実施形態に係る第２の実施例（以下、実施例２という）を説明する。実施例２は、上述の最適化法による化合物合成経路の作成の具体例であるが、実施例２に係る数値は、例示であって、本実施形態は、実施例２の数値に限定されるものではない。【０１９３】
実施例２では、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータと、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物に加えて目的化合物（非天然化合物を含む）の化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータとを使用して、１３２１３個の化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを化合物データベース１１に格納した。ＫＥＧＧのデータベースの全化合物についてKEGG ATOM TYPEで表記されたＫＦＣフォーマットデータをＫＥＧＧデータベースからダウンロードすることにより、化合物データベース１１に化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを格納した。ＫＥＧＧデータベースに登録されていない化合物は、ＫｅｇＤｒａｗツールを使用してＫＦＣフォーマットに変換した。【０１９４】
上記条件において、出発化合物として4-hydroxybutyryl-CoAを指定し、目的化合物として1,4-butanediolを指定して、化合物の合成経路の作成を開始した。制御部２１が、図９のＳ９０１の処理を行うことにより、１万３２１３個の化合物のＵＦが作成され、ＵＦデータベース１５に格納された。制御部２１が、図９のＳ９０２の処理を行うことにより、約７０００個の既知ＤＦが算出され、差分データベース１７に格納された。【０１９５】
制御部２１が、図９のＳ９０３の処理を行うことにより、目的化合物である1,4-butanediolのＵＦから出発化合物である4-hydroxybutyryl-CoAのＵＦを減算することにより、4-hydroxybutyryl-CoAと1,4-butanediolとの化合物ペアについてのDifference Totalが算出された。【０１９６】
制御部２１が、図９のＳ９０４の処理を行うことにより、Difference Totalの値と複数の既知ＤＦの合計値とが一致するように、差分データベース１７から２個以下の既知ＤＦを含むＤＦ組合せ群の作成が行われた。制御部２１は、差分データベース１７からランダムに５００個の既知ＤＦを抽出し、抽出した５００個の既知ＤＦを用いてＤＦ組合せ群の作成を行った。制御部２１は、差分データベース１７からランダムに５００個の既知ＤＦを抽出し、抽出した５００個の既知ＤＦを用いてＤＦ組合せ群を作成するという操作を１０００回繰り返すことにより、６種類のＤＦ組合せ群を作成した。【０１９７】
制御部２１が、図９のＳ９０５の処理を行うことにより、６種類のＤＦ組合せ群について、出発化合物及び目的化合物と、ＤＦ組合せ群に含まれる複数の既知ＤＦとによって、６個の化合物の合成経路を作成した。【０１９８】
制御部２１が、図９のＳ９０６の処理を行うことにより、化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦが算出された。制御部２１が、図９のＳ９０７の処理を行うことにより、６個の化合物の合成経路について、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立するか否かの判定が行われた。制御部２１が、図９のＳ９０８の処理を行うことにより、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立するとして、６個の化合物の合成経路が抽出された。【０１９９】
制御部２１が、図９のＳ９０９の処理を行うことにより、６個の化合物の合成経路について、化合物の合成経路に含まれる化合物の合成で用いられる酵素が決定された。制御部２１が、図９のＳ９１０の処理を行うことにより、６個の化合物の合成経路のそれぞれについて、化合物の合成経路に含まれる中間化合物の名称が決定され、中間化合物の名称を決定できない中間化合物に対して所定の番号が割り当てられた。【０２００】
原料化合物としてグルコースが指定され、制御部２１が図９のＳ９１３の処理を行うことにより、原料化合物から出発化合物までの合成経路が作成された。この場合、制御部２１は、既知反応データベース１２に格納されている大腸菌の代謝反応に関するデータを参照する。そして、制御部２１が図９のＳ９１３の処理を行うことにより、図９のＳ９０８の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）が算出された。そして、原料化合物としてグルコースが指定され、原料化合物からのモル理論収率（％）が０％より大きい目的化合物を合成する化合物の合成経路を抽出するという条件下で、制御部２１が、図９のＳ９１４及びＳ９１５の処理を行うことにより、５個の化合物の合成経路が抽出された。また、原料化合物としてグルコースが指定され、原料化合物からのモル理論収率（％）が１００％以上である目的化合物を合成する化合物の合成経路を抽出するという条件下で、制御部２１が、図９のＳ９１４及びＳ９１５の処理を行うことにより、１個の化合物の合成経路が抽出された。【０２０１】
図１２に、最終的に抽出された化合物の合成経路を示す。最終的に抽出された化合物の合成経路は、４−ヒドロキシ酪酸（4-hydroxybutyric acid）を経由して、３つの酵素（EC2.8.3.-、EC1.2.1.-、EC1.1.1.-）が連続して反応することで、１，４ブタンジオール（1,4- butanediol）を生成することができることを示している。最終的に抽出された化合物の合成経路に含まれる仮想化合物は、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のＵＦの何れとも一致しないために所定の番号（VC00002）が割り当てられた中間化合物である。【０２０２】
最終的に抽出された化合物の合成経路は、Genomatica Inc.（CA,USA）が独自に見出し、特許文献（ＷＯ／２００８／１１５８４０）に記載されている経路（4-hydroxybutryl-CoA→（EC1.2.1.-）→4-hydroxybutyrylaldehyde→（EC1.2.1-）→1,4-butanediol）と同一である。最適化法は、化合物の合成経路と、化合物の合成経路における各反応で用いられる酵素とを含む情報を出力するため、中間化合物が既知である必要はない。例えば、4-hydroxybutyrylaldehydeは、ＫＥＧＧのデータベースに登録されていない化合物（非天然型化合物）であるが、合成経路作成装置１によって作成される合成経路は、ＫＥＧＧのデータベースに登録されていない化合物を含むことが可能である。すなわち、合成経路作成装置１は、ＫＥＧＧのデータベースに登録されていない化合物を含む合成経路を作成することが可能である。
【実施例３】
【０２０３】
本実施形態に係る第３の実施例（以下、実施例３という）を説明する。実施例３は、上述の最適化法による化合物合成経路の作成の具体例であるが、実施例３に係る数値は、例示であって、本実施形態は、実施例３の数値に限定されるものではない。【０２０４】
実施例３では、Butadieneの合成経路の作成の具体例を説明する。実施例３では、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータと、ＫＥＧＧのデータベースに登録されている化合物に加えて目的化合物（非天然化合物を含む）の化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータとを使用して、１３２１３個の化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを化合物データベース１１に格納した。ＫＥＧＧのデータベースの全化合物についてKEGG ATOM TYPEで表記されたＫＦＣフォーマットデータをＫＥＧＧデータベースからダウンロードすることにより、化合物データベース１１に化合物の名称及び化合物の化学構造式のデータを格納した。ＫＥＧＧデータベースに登録されていない化合物は、ＫｅｇＤｒａｗツールを使用してＫＦＣフォーマットに変換した。【０２０５】
上記条件において、出発化合物としてAcetyl-CoAを指定し、目的化合物としてButadieneを指定して、化合物の合成経路の作成を開始した。制御部２１が、図９のＳ９０１の処理を行うことにより、化合物のＵＦが作成され、ＵＦデータベース１５に格納された。制御部２１が、図９のＳ９０２の処理を行うことにより、約７０００個の既知ＤＦが算出され、差分データベース１７に格納された。【０２０６】
制御部２１が、図９のＳ９０３の処理を行うことにより、目的化合物であるButadieneのＵＦから出発化合物であるAcetyl-CoAのＵＦを減算することにより、Acetyl-CoAとButadieneとの化合物ペアについてのDifference Totalが算出された。【０２０７】
制御部２１が、図９のＳ９０４の処理を行うことにより、Difference Totalの値と複数の既知ＤＦの合計値とが一致するように、差分データベース１７から２個以下の既知ＤＦを含むＤＦ組合せ群の作成が行われた。制御部２１は、差分データベース１７からランダムに５００個の既知ＤＦを抽出し、抽出した５００個の既知ＤＦを用いてＤＦ組合せ群の作成を行った。制御部２１は、差分データベース１７からランダムに５００個の既知ＤＦを抽出し、抽出した５００個の既知ＤＦを用いてＤＦ組合せ群を作成するという操作を１０００回繰り返すことにより、ＤＦ組合せ群を作成した。【０２０８】
制御部２１が、図９のＳ９０５の処理を行うことにより、ＤＦ組合せ群について、出発化合物及び目的化合物と、ＤＦ組合せ群に含まれる複数の既知ＤＦとによって、複数の化合物の合成経路を作成した。【０２０９】
制御部２１が、図９のＳ９０６の処理を行うことにより、化合物の合成経路に含まれる中間化合物のＵＦが算出された。制御部２１が、図９のＳ９０７の処理を行うことにより、複数の化合物の合成経路について、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立するか否かの判定が行われた。制御部２１が、図９のＳ９０８の処理を行うことにより、出発化合物から目的化合物までの合成経路として成立するとして、化合物の合成経路が抽出された。【０２１０】
制御部２１が、図９のＳ９０９の処理を行うことにより、化合物の合成経路に含まれる化合物の合成で用いられる酵素が決定された。制御部２１が、図９のＳ９１０の処理を行うことにより、化合物の合成経路に含まれる中間化合物の名称が決定され、中間化合物の名称を決定できない中間化合物に対して所定の番号が割り当てられた。【０２１１】
原料化合物としてグルコースが指定され、制御部２１が図９のＳ９１３の処理を行うことにより、原料化合物から出発化合物までの合成経路が作成された。この場合、制御部２１は、既知反応データベース１２に格納されている大腸菌の代謝反応に関するデータを参照する。そして、制御部２１が図９のＳ９１３の処理を行うことにより、図９のＳ９０８の処理で抽出された合成経路によって合成される目的化合物について、原料化合物からのモル理論収率（％）が算出された。そして、原料化合物としてグルコースが指定され、原料化合物からのモル理論収率（％）が０％より大きい目的化合物を合成する化合物の合成経路を抽出するという条件下で、制御部２１が、図９のＳ９１４及びＳ９１５の処理を行うことにより、化合物の合成経路が抽出された。【０２１２】
図１３に、最終的に抽出された化合物の合成経路を示す。最終的に抽出された化合物の合成経路は、Acetyl-CoAを出発化合物として、Crotonyl-CoAを経由することで、Butadieneを生成することができることを示している。最終的に抽出された化合物の合成経路に含まれる仮想化合物は、ＵＦデータベース１５に格納されている化合物のＵＦの何れとも一致しないために所定の番号が割り当てられた中間化合物である。これらは、未知中間体の構造はＤＦ情報をもとに、Crotonyl-aldehyde及びCrotonyl-alcoholと決定した。【０２１３】
〈コンピュータ読み取り可能な記録媒体〉
コンピュータに上記いずれかの機能を実現させるプログラムをコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録することができる。そして、コンピュータに、この記録媒体のプログラムを読み込ませて実行させることにより、その機能を提供させることができる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、データやプログラム等の情報を電気的、磁気的、光学的、機械的、または化学的作用によって蓄積し、コンピュータから読み取ることができる記録媒体をいう。このような記録媒体のうちコンピュータから取り外し可能なものとしては、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、ＤＶＤ、ＤＡＴ、８ｍｍテープ、メモリカード等がある。また、コンピュータに固定された記録媒体としてハードディスクやＲＯＭ等がある。
【符号の説明】
【０２１４】
１    合成経路作成装置
２    ＣＰＵ（Central Processing Unit）
３    メモリ
４    ハードディスク駆動装置
５    可搬媒体駆動装置
６    入力装置
７    表示装置
８    外部インターフェース
１０  操作部
１１  化合物データベース
１２  既知反応データベース
１３  部分構造データベース
１４  共通構造データベース
１５  ＵＦデータベース
１６、１７  差分データベース
１８  仮想反応データベース
２０  記憶部
２１  制御部
２２  表示部
【図１】
2012081723.tif 000012
【図２】
2012081723.tif 000013
【図３】
2012081723.tif 000014
【図４】
2012081723.tif 000015
【図５】
2012081723.tif 000016
【図６】
2012081723.tif 000017
【図７】
2012081723.tif 000018
【図８】
2012081723.tif 000019
【図９】
2012081723.tif 000020
【図１０】
2012081723.tif 000021
【図１１】
2012081723.tif 000022
【図１２】
2012081723.tif 000023
【図１３】
2012081723.tif 000024
【配列表】
2012081723000001.app
【国際調査報告】
2012081723.tif 000025
2012081723.tif 000026
2012081723.tif 000027
2012081723.tif 000028