バイオ燃料は世界を救う？
静岡大学
若手グローバル研究リーダー育成拠点
粟井 光一郎バイオ燃料とは？
生物の持つエネルギーを利用した燃料

小麦

トウモロコシテンサイ

ナタネ

植物の光合成によって得られたエネルギーを利用した燃料

バイオ燃料とは？
バイオアルコールエタノール、ブタノール
バイオディーゼル
トリアシルグリセロール、ワックス
バイオガス
メタンガス、水素バイオアルコール
エタノール、ブタノールなどのアルコー
ル類
H H
H C C OHH H

H H H HH C C C C OH
H H H H

エタノール

ブタノール

穀物などのデンプン、糖を利用してアルコール発酵により合成

バイオアルコール
メリット
・技術、インフラが整っている
デメリット
・食用作物との直接的競合
・吸湿性が高い・体積当たりのエネルギーが低い

バイオディーゼル
植物油、ワックスなどの長鎖炭素化合物
H H H H H H H H H H H H H H H O
H C C C C C C C C C C C C C C C C OH
H H H H H H H H H H H H H H HOOH

パルミチン酸（炭素数16）バイオディーゼルに用いられる代表的油脂類
O

トリアシルグリセロール（TAG）
脂肪酸 + グリセロール

ワックスエステル（WE）
脂肪酸 + 脂肪酸アルコールOOOOOOO

バイオディーゼル
メリット
・インフラが整っている
・体積当たりのエネルギーが高い
デメリット
・食用作物との間接的に競合（耕作地）・副産物が出る

バイオガス
メタン、水素などのガス成分
H
H C H
H

H H

メタン

水素

H
C H

H H
H C
C C
H C
H

H

イソプレノイド

億トン／年

バイオ燃料で化石燃料を代替できるか

燃料

化学工業原料 農作物生産量
化石燃料

億トン／年

バイオ燃料で化石燃料を代替できるか

燃料

化学工業原料 農作物生産量（化石燃料換算）
化石燃料

バイオ燃料を作るのはエネルギー効率が悪い？

Ohlrogge et al 2009 Scienceバイオ燃料は次世代エネルギーに向かない？
太陽光からエネルギーを効率よく生産
太陽光パネル、太陽熱発電の方が効率よく発電できる？
バイオ燃料にしかできないことはあるのか？

バイオ燃料にしかできないこと
化合物の生産
石油を原料とする製品の材料となる物質を生産
より目的物質に近い原料（もしくはそのもの）を生産することも可能

億トン／年

バイオ燃料で化石燃料を代替できるか

燃料

化学工業原料 農作物生産量（化石燃料換算）
化石燃料

バイオ燃料にしかできないこと
燃料が必要な局面への供給
電気を使用するインフラの整っていない
国・地域
飛行機、船舶など、長時間の航行が必要な場合

バイオ燃料にしかできないこと
二酸化炭素の再固定
すでに大気中に放出された二酸化炭素を再固定し、貯蔵する
体積当たりのエネルギー価の高い物質での貯蔵が有利

一つのやり方に固執せず、様々な方法を組み合わせて、それぞれの長所を活かす

バイオ燃料も世界を救う!

どのような生物がバイオ燃料生産に適しているのか？

光合成生物の進化
緑藻
紅藻

陸上植物
ラン藻

核
ミトコンドリア
葉緑体

光合成生物：それぞれのメリット
植物

C/N比（炭素と窒素の比率）が高い
栄養生産と貯蔵組織が分かれている藻類

単位面積当たりの生産量が高い
窒素固定能を持つ種が利用可能
小俣達男 教授（名古屋大）
光合成研究 (2010) 20 (2): 65-71

植物のメリット

エネルギー生産と貯蔵の場が分かれている

光合成生物：それぞれのメリット
植物

C/N比（炭素と窒素の比率）が高い
栄養生産と貯蔵組織が分かれている

藻類

単位面積当たりの生産量が高い
窒素固定能を持つ種が利用可能
小俣達男 教授（名古屋大）
光合成研究 (2010) 20 (2): 65-71

藻類の利点：バイオディーゼル生産能
作物

オイル生産量（L/ha/年）

石油需要を満たすのに必要な耕作地面積の割合（％）

とうもろこし172846

ダイズ

446

326

ナタネ

1,190

122

パーム

5,950

24

微細藻類

58,7002.5

各種作物と微細藻類のオイル生産能の比較（Chisti 2007 一部改変）

現在でも藻類は酸素発生に貢献

日本海事広報協会HPより

人工衛星から見た海洋のクロロフィルの分布
http://darwinproject.mit.edu/
http://darwinproject.mit.edu/?page_id=27

マサチューセッツ工科大
ダーウィンプロジェクト

地球の歴史と光合成生物の誕生光合成生物の進化
緑藻
紅藻

陸上植物
ラン藻

核
ミトコンドリア
葉緑体

ラン藻（シアノバクテリア）
単細胞性
Synechocystis sp. PCC 6803

糸状性Anabaena sp. PCC 7120

Bar = 20μm

ラン藻の生息地
海・川・湖・沼・温泉・地面

コケ（地衣類）・ウキクサ・ソテツなど

豪州西部シャーク湾のストロマトライト

ラン藻の生息地

アオコ
印旛沼（茨城県）

ラン藻の生息地

温泉湧出口

ラン藻の生息地

ラン藻の生息地
海・川・湖・沼・温泉・地面

コケ（地衣類）・ウキクサ・ソテツなど

ラン藻の生息地
海・川・湖・沼・温泉・地面

コケ（地衣類）・ウキクサ・ソテツなど

ラン藻の生息地
海・川・湖・沼・温泉・地面

コケ（地衣類）・ウキクサ・ソテツなど

ラン藻を用いる利点：他の光合成生物との比較
植物

ゲノムサイズ：ラン藻150 Mb3 Mb

遺伝子数： 約30,000

約3,000

ライフサイクル：

1~2か月

12~24時間代謝経路のデザインが容易光合成生物：それぞれのメリット
植物

C/N比（炭素と窒素の比率）が高い
栄養生産と貯蔵組織が分かれている

藻類

単位面積当たりの生産量が高い
窒素固定能を持つ種が利用可能
小俣達男 教授（名古屋大）
光合成研究 (2010) 20 (2): 65-71

糸状性ラン藻は細胞を分化し窒素固定を行う
糸状性ラン藻

窒素固定を担う酵素（ニトロゲナーゼ）は酸素感受性
糖脂質のバリアーを作り、ニトロゲナーゼを保護ヘテロシスト特異的糖脂質合成経路を利用する

糖脂質層
OHOH
グルコース

ヘテロシストの電子顕微鏡写真

合成遺伝子破壊株では、ヘテロシスト特異的糖脂質の蓄積が見られなくなる。

予想されるヘテロシスト特異的糖脂質合成経路

ポリケチドとは？
OH

H

H-CO-CH3OOOOOOO

ケチド（ケタイド）
ketide

ポリケチドpolyketide

ポリケトメチレン鎖の伸長反応
CO2 + ACP
O
R1O
S ACP
O
HO

R1O
S ACP

O
S ACP

ポリケチド合成酵素
I型

モジュール型と反復型

II型

サブユニット型

III型

主に植物

ポリフェノール類

ポリケチド合成酵素
I型

モジュール型と反復型

エリスロマイシンポリケチド合成酵素
I型

モジュール型と反復型

II型

サブユニット型

III型

主に植物

ポリフェノール類

ポリケチド合成酵素による超長鎖脂肪酸合成
HOO

C20H30O2
EPA (20:5)
エイコサペンタエン酸

O
OH

OH

C22H32O2
DHA (22:6)
ドコサヘキサエン酸

OH
OH

C26H54O3
HGL (C26:0)
ヘテロシスト特異的
脂肪酸アルコールヘテロシスト特異的糖脂質合成経路を利用する

糖脂質層
OHOH
グルコース

細胞内で合成された脂肪アルコール配糖体をABCトランスポータによって細胞外に放出する
細胞外へ
hdgD

外膜
ペプチドグリカン層細胞膜devB
devC
devA

細胞質

脂肪アルコール（配糖体）

ラン藻をバイオディーゼル生産工場にする

光合成

ポリケチド合成酵素

アセチル-CoA脂肪酸

脂肪アルコール（配糖体）

膜脂質
ABCトランスポータ
細胞外に排出ラン藻ヘテロシストに蓄積する糖脂質
OHOH
OH

All5341 = HglTOH

炭素数26の超長鎖脂肪酸アルコール
OH
グルコース

超長鎖脂肪酸アルコールを蓄積するラン藻株
野生株 変異株+- + - 窒素源

ヘテロシスト特異的糖脂質合成の最後の反応を担う糖転移酵素遺伝子を破壊すると、前駆体である超長鎖脂肪酸アルコールが蓄積する
窒素固定能をもつラン藻の栄養細胞での高効率生産OHOHOH

硫酸染色

ヘテロシスト分化が促進された変異株の利用

通常10~15細胞に1つの割合でヘテロシストへの分化が起こる

patS遺伝子、hetN遺伝子の二重破壊株では、ヘテロシストの異常分化が起こる
Borthakur et al 2005 Mol Microbiol

ほぼ100%の細胞がヘテロシストへ分化

3種の遺伝子を破壊するだけで、超長鎖脂肪酸アルコールの高効率生産可能
Borthakur et al 2005 Mol Microbiol

利用可能な有用遺伝資源候補

エダコモンサンゴ円石藻: Emiliania huxleyi
10 μm

ヒマ: Ricinus communis

超長鎖アルケノン

ヒドロキシ脂肪酸褐虫藻

多価不飽和脂肪酸

科学技術振興機構：戦略的創造研究推進事業
二酸化炭素排出抑制に資する革新的技術の創出（平成20年度～）
藻類・水圏微生物の機能解明と制御によるバイオエネルギー創成のための基盤技術の創出 （平成22年度～）
二酸化炭素資源化を目指した植物の物質生産力強化と生産物活用のための基盤技術の創出（平成23年度～）
http://www.jst.go.jp/kisoken/crest/research_area/index.html

http://genodive.org
GenoDive pro: 原核生物用
GenoDive eu: 真核生物用