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酵素の生産と利用技術の系統化
Systematic Survey of the Technical Development for Production and Application of Enzyme

中森

茂 Shigeru Nakamori■ 要旨
わが国における酵素技術、つまり酵素の生産と利用技術の系統化調査を行った。
酵素は動植物から微生物まで、あらゆる生物がもつタンパク質を主成分とする生体触媒である。生物の生命活
動は生体内の化学反応によって営まれているが、これらの化学反応を正確、かつ円滑に進行させる触媒が酵素である。
酵素の特徴は常温常圧の穏やかな条件下で反応を進めること、酵素は生体から取り出し、この反応を試験管の中で再現できること、酵素には基質特異性があり、基質（原料素材）を厳密に選択すること、熱などの過酷な条件下では失活すること、などである。
酵素の実体が明らかにされたのは 19 世紀後半のことであるが、酵素の実体を知ることのなかった古来より、人間は酵素をいろいろの形で有効に活用してきた。チーズの製造や酒類の発酵などである。日本は温暖湿潤なモンスーン地帯に位置し、そこでは米作が行われ、大豆が生産され、カビがよく生育し、醸造技術が発達し、米や大豆を原料として清酒、ミソ、ショウユなどが生産された。醸造技術は微生物を活用する技術であり、酵素技術でもある。そのような酵素や微生物技術が発達した土壌の上に、近代の欧米で生まれた微生物学や分子生物学の知見や情報がいち早く導入され、日本独特のアミノ酸や核酸発酵技術が生まれ、酵素や抗生物質の生産技術が発達して、日本は今やこの分野では世界のリーダーの一つに数えられるようになった。
日本の酵素産業には酵素そのものを製品として扱う企業と、酵素を手段として製品の製造に活用する企業がある。日本の酵素産業はアミラーゼの生産からスタートし、その後糖質関連、タンパク質分解など、多彩な製品を生み出し、また日本独特の特徴のある酵素を多数生みだしてきた。酵素の市場規模は世界で４―５千億円程度と言われる比較的小さなものであるが、酵素による生産物の規模は莫大なものがある。
わが国の酵素類の輸出入額を見ると、1960 年代から 2000 年までは輸入超過の状態が続いていたが、2000 年を境に輸出超過に変わった。このことは我が国の酵素生産と利用技術が近年大きく進展していることを示している。酵素をアミノ酸や核酸などの最終製品の生産手段として活用している企業では酵素を生産する微生物を酵素源として販売しているわけではないが、製品については特徴のある環境調和型のプロセスをもって、有利な競争力を展開しているケースが多い。
現在活用されている酵素の大部分は微生物に由来する。特に今後新しい酵素の開発は新しい微生物に期待されるし、また動植物由来のものも、組換え DNA 技術の進展により微生物による生産が可能となった。したがって、
ほぼすべての酵素生産は微生物によるものが中心となると考えられるため、酵素の生産技術の流れはつぎの３項にまとめることができる。
① 生産菌株のスクリーニング→生産菌株の改良→大量培養② 培養液からの酵素の単離・精製③ 培養と単離・精製工程のエンジニアリング
生産菌株のスクリーニングは新規な酵素の開発のために最も重要な技術である。生産株の改良については、突然変異、組換え DNA，タンパク質工学などの技術が多面的に活用されている。酵素の単離・精製は溶媒沈澱、塩析、等電点沈澱や、各種のクロマトブラフィーが活用されている。
一方、酵素の利用技術については、酵素標品が粉末状の場合には扱いやすさや、粉末の飛散を防止するために顆粒化技術が、また酵素と生産物との分離が必要な場合には固定化技術が要求される。そのほか、例は多くはな
いが、医療用に使用される酵素で異種の生物に由来するものでは免疫反応のために使用が制限される場合がある。
このため免疫反応の防止のためにポリエチレングリコールなどによる処理が行われている。
このようにして、わが国ではほとんどのアイテムの酵素は品揃えされている状況にあるが、本報告では、デンプンおよび糖質関連、タンパク質関連、アミノ酸関連など、現在市販されている、あるいは工業化されている酵素について、生産株、用途、酵素反応式等について記述した。
今後の酵素技術に期待されるところは有用物質の合成、廃棄物や難分解性物質の分解、物質の分析など、甚だ広く大きい可能性が考えられるが、それらのテーマは世界的な課題とされる「健康と生命」、「資源とエネルギー」、「地球環境」、
これらの保全と確保が中心となるであろう。省エネルギーと地球環境にやさしいバイオテクノロジーと酵素技術に寄せられる期待は大きいものがある。すでに多くの実績を積み上げてきたわが国の技術をもって、それらに応えるには、さらに新しい機能をもつ酵素の開発が必須である。現在より一層の密な産学共同体制の中から開発を進めることが重要と思われる。

酵素の生産と利用技術の系統化

139

■ Abstract
Current state of enzyme technology, including techniques for the production and application of enzyme, was systematicallysurveyed.
Enzymes are living catalysts, namely biocatalyst possessed by all living organisms, from one-celled organisms to multi-cellularanimals and plants. Almost all the activities of life within living bodies are maintained by chemical reactions. Enzymes catalyze
these reactions precisely and smoothly. There are several characteristics of enzymes necessary for understanding enzyme
technology :（a）they catalyze chemical reactions under mild conditions, namely at room temperature, neutral pH, and mildpressure,（b）they can be isolated from living bodies and be tested in test tubes,（c）they have substrate specificities and selectthe substrates strictly,（d）they have instability and lose activity in harsh conditions such as at high temperatures,（e）and so on.
Humans have used enzymes effectively since prehistoric times without any specific knowledge about enzymes. It was in thelate 19th century that understanding of the basic workings of enzymes was achieved.
In Japan, which is located in a monsoon-prone area of eastern Asia with high temperatures and high humidity, molds aswell as cereals such as rice and soybeans can grow well. As a result, various brewed products, such as Japanese sake, soybean
paste（miso）,and soy-sauce were able to be manufactured using these materials. Thus, applications of enzyme technology andmicrobiology, namely, brewing techniques, have been developed especially in our country.
These traditional Japanese techniques were combined with modern scientific and technical information about microbiology
and molecular biology, especially related to antibiotic production techniques, developed in Europe and America. Various uniquefermentation techniques have been established after World War II in Japan, such as fermentative production of amino acids,
nucleotides, enzymes, antibiotics, and so on. This led to Japan becoming one of the current leaders of enzyme and fermentation
technology in the world.
The Japanese enzyme industry consists of two types of companies: those that supply enzymes, and those that produce
various products made with enzyme technologies.
The start of the Japanese enzyme industry was the production of amylase for the removal of paste, which was used forprocessing fibers. Thereafter, various enzymes such as those for sugar processing, hydrolysis of proteins, and so on, have beendeveloped by original Japanese techniques.
The value of the world’s enzyme supply in 2000 was estimated to be ¥4,200 billion, of which Japan occupied one-tenth, orabout ¥400 billion. From 1970-1990, the amount of enzyme imported Japan exceeded the amount exported. However, theexports have exceeded imports since 1998. From this fact, we can see that Japanese enzyme techniques are progressing fasterthan those of other countries.
As most enzymes
Originate from microbial sources, the flow of the production techniques of enzyme can be summarized by the following three,
1）Screening of producing strains → improvement of producing strains → large scale cultivation → production of enzymes inculture liquid2）Isolation and purification of enzymes from culture liquid3）Plant engineering for large scale cultivation and isolation as well as purification.
Mutations, recombinant DNA techniques, and protein engineering techniques have been applied to improve enzyme
producing strains. Improved strains are introduced into large scale cultivations. Techniques to isolate enzymes from culture
liquid include precipitation of enzymes by solvents, salting out, and by adjusting pH to isoelectric points.
In order to purify enzymes, impurities of low molecular weight are removed by dialysis and membrane techniques such as
ultra filtration. And further, enzymes are purified by the application of various types of chromatography.
Enzyme granulation and immobilization techniques have improved enzymes use. Granulated enzymes were devised for theprevention of allergic accidents, which were caused by the scattering of powder enzymes among workers and consumers when
powder enzymes were produced and used for detergent in 1960s. The immobilized enzymes were developed when enzymes
were expensive, and separation of enzymes from substrates and products was necessary for repeated uses. Immobilized
enzymes or enzyme-containing cells were mainly applied for the production of useful materials, such as amino acids andnucleotides.
Almost all of these enzymes and related materials are available in Japan.
This report outlines producer strains, culture conditions for production, enzymatic reaction formulas, uses, and so on, of
enzymes, which are sold on the market or are used in practical production, were described.
Environmentally friendly biotechnology and enzyme technology are expected to play a significant role in the security andpreservation of life and health, resources and energy, and the environment-all topics of global concern today. To fulfill these
expectations, discovery and development of novel enzymes will be essential. Further co-operation with universities andcompanies would bring fruitful and useful results.

■ Profile

中森■ Contents

茂 Nakamori Shigeru（独）国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員
昭和15年（1940）９月生
昭和38年（1963）３月
京都大学農学部
農芸化学科卒業
同年４月
味の素株式会社入社
１月
農学博士（京都大学）
昭和50年
昭和63年７月（財）バイオインダストリー協会出向～平成２年６月
平成５年（1993）３月
味の素株式会社退社
福井県立大学
同年
４月
生物資源学部教授
同学 名誉教授
平成18（2006）年 ４月

１．はじめに… …………………………………………141
２．酵素についてー酵素の機能と特性ー… …………142
３．酵素の産業利用の歴史… …………………………144
４．日本の酵素産業の歴史とその特徴… ……………146
５．酵素市場… …………………………………………148
６．酵素の生産に関する要素技術の進歩 /生産菌株の育種、大量培養、酵素の単離精製、製造装置とプロセス管理… ………………………149
７．酵素の利用に関する要素技術 /酵素の固定化技術、酵素の顆粒化技術… ………153
８．酵素の生産と利用（各論）…………………………155

９．酵素の生産と利用技術の系統化図… ……………180
10 ．今後の酵素技術の課題と展開… …………………182

140

11 ．謝 辞… ………………………………………………183
国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

1 はじめに酵素（Enzyme）は動植物から微生物まで、あらゆ

新しい酵素の利用のためには、対応する新しい酵素る生物がもっている生体触媒で , その主成分はタンパの生産と、酵素の性質の解明が伴っていなければならク質である。生物の生命活動は生体内の化学反応にないことは言うまでもない。したがって、これらのプ

よって営まれている。これらの化学反応を円滑かつ正ロセスの開発のためには、酵素の生産と利用技術が車確に進行させる触媒がすなわち酵素であり、常温、中の両輪として重要である。一方、新しい酵素技術の可性 pH、常圧の穏やかな条件下で進行するところに大能性については一言では言い表せないほどの種類と応きな特徴がある酵素の働きで生命活動は維持されてい用の領域の広さがある。

る。

このような酵素技術に対する期待が大きい中で、日人間は古くから、このような酵素反応を巧みに利用

本の酵素の生産と利用技術の歴史を振り返り、今後をしてきた。酵素というものの実体と性質を理解するは

展望することは意義深いことと考え、産業技術系統化

るか以前からのことである。それらに利用された酵素のテーマの一つとして選択した。

は、食品の製造に関与するものが多く、たとえばアル

本報告はこれまでの酵素技術の大略をまとめたもの

コール発酵や乳酸発酵による清酒、ワインやヨーグル

で、１1 章から構成されている。1 章の「はじめに」トなどの生産に関与するものは微生物に由来し、またに続く２章では一般的な酵素の特性と機能、および命

チーズの生産に使用された酵素は若い羊や牛などの動名法などについて解説した。3 章では世界における酵物の腸に由来するものである。

素の産業利用の歴史を簡単に振り返り、4 章では日本

日本は温暖で湿潤な東アジアのモンスーン地帯に位の酵素産業の歴史の大略と産業の特質を記し、5 章で置する。そこでは米や大豆が栽培され、カビがよく生は酵素市場の概略を記した。6 章では酵素の生産に関育し、これらの材料から清酒、味噌、醤油などの醸造する要素技術について記した。有用酵素の大部分が微製品が作られ、微生物を取り扱う醸造技術が発達した。

生物に由来していることから、生産微生物菌株のスク

そのような土壌の上に、近代の欧米で生まれた微生物

リーニングから菌株の改良と大量培養を経て、酵素の学と生化学や分子生物学関連の育種や培養法、特に抗単離精製、さらに工業生産に至る技術の進歩、として

生物質の生産に関する科学と技術が導入され、これをまとめた。7 章では酵素利用に関する要素技術としてベースにして第 2 次大戦後のわが国ではアミノ酸や核酵素の固定化および顆粒化技術を取り上げ、これらの酸発酵のような独創的な科学と技術が生まれ、また独進歩を記した。8 章では市販されている、あるいは産自の技術による抗生物質や酵素の生産技術も開発され業として活用されている酵素が、どのような反応を触た。これらの技術の多くは微生物に由来する酵素を取媒し、またそれらの酵素がどのような微生物によってり扱うものであって、この酵素をより積極的、かつ多どのようにして生産され、活用されているかを解説し角的に活用する技術が並行して進められ、日本はこのた。9 章では酵素生産と利用技術の系統化をまとめて分野では先進国の一つになった。微生物は、酵素の詰図化した。１0 章では酵素の生産と利用についての今まっている“Enzyme bag”であり、微生物の活用は後の課題と展開を考察した。

すなわち、酵素の活用と考えられる所以である。
人間の生活に必要な物質を獲得するために数多くの工場で化学反応が行われている。
これらの反応は通常、
高温、高圧条件が必要なエネルギー多消費型で、また酸、アルカリを多使用するプロセスであって、地球環境への負荷が大きいことが問題点にあげられている。
これらの反応に酵素が応用できれば、省エネルギー型
で環境負荷の少ないプロセスを作ることができる。この分野で日本はすでに多くの実績を出して来たが、世界的なスケールで省資源とエネルギー、環境保全が注目される中、技術をさらに進め、グローバルに真価を発揮することが期待されている。

酵素の生産と利用技術の系統化

141

2 酵素について
酵素活性の発現や構造を維持するために金属イオン

2.1 酵素とはー酵素の機能と特性―
2.1.1

や補酵素と呼ばれる有機化合物を必要とするものがある。補酵素はビタミンの類であるケースが多い。

酵素は生体触媒である。

酵素はタンパク質を主成分とする生体触媒である。
タンパク質は 20 種のアミノ酸が意味のある配列順序をもってペプチド結合でつながった立体的な高分子
で、分子量は数万から百万以上におよんでいる。ここ

2.2 酵素の機能分類と命名法
2.2.1 酵素の機能分類
酵素は触媒する反応の種類によって、以下の６群にで言う意味のある配列順序は、遺伝子の DNA 上に配列

機能分類されている。

されている４つの核酸塩基（アデニン、グアニン、シ１）酸化還元酵素（oxidoreductase）

トシン、
チミン）
の配列に基づく固有の遺伝情報によっ基質と生成物、あるいは補酵素との間の電子のやりて決められている。なお、主成分がタンパク質ではな取りを中心とする酸化と還元の反応を触媒する。図い生体触媒が知られており、これはオリゴヌクレオチ

2.1 の反応式に示すアルコールの酸化、あるいはアセド結合の分解反応を触媒するリボザイムと呼ばれるもトアルデヒドの還元反応を触媒するアルコール脱水素ので、このものの主成分はリボソーム RNA で、1980

酵素（アルコールデヒドロゲナーゼ）、アルデヒド脱年代に発見されたものであるが、本報告書の対象では水素酵素などの反応が代表的な例である。

ない。
2.1.2

酵 素は生体から取り出して、試験管の中での反応に使用できる。

酵素を単離して利用できるこの性質が幅広い酵素のアルコール

アセトアルデヒド

図 2.1

アルコール脱水素酵素による反応式

応用を可能にした最も重要な特質である。また酵素は物理化学的な手段で精製が可能であり、最終的には結晶化することができる。

２）転移酵素（transferase）
基質の分子に存在するアルキル基、アミノ基、カル
ボキシル基、リン酸基などの官能基を他の基質の分子2.1.3 酵素反応は温和な条件で行われる。

に移す反応を触媒する。たとえば、身近な例として血酵素反応は概ね常温（20 ～ 60℃）、
中性（pH7 近辺）、

液生化学検査項目のひとつであるグルタミン酸／オキ

常圧で進行する。反応には最適温度、最適 pH があり、ザロ酢酸トランスアミナーゼ（GOT）の反応は図 2.2

最適値以上の高温、あるいは酸性、アルカリ性の条件に示すようにグルタミン酸のアミノ基（-NH2）をオキ

下では機能が落ちる、あるいは安定性が低下し失活す

ザロ酢酸に移して２－オキソグルタール酸とアスパラる。ただ例外が多数あって、耐熱酵素、好冷酵素、好ギン酸を生成する反応である。

アルカリ、好酸性酵素などが見出され、それぞれ有効に活用されている。
2.1.4

酵素は基質特異性をもつ。

酵素反応の材料となる物質は基質と呼ばれる。酵素と基質の関係は鍵と鍵穴の関係に例えられるように、酵素が反応に適した基質をきわめて厳密に選択する性
質が基質特異性である。このことはかなり複雑な反応液の中でも酵素は的確に基質を認識できることを意味

図 2.2

グルタミン酸／オキザロ酢酸トランスアミナー
ゼによるアミノ基転移反しており、応用上重要な性質である。
３）加水分解酵素（hydrolase）
2.1.5

142

補欠分子や補酵素を必要とする酵素がある。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

C-O, C-N, P-O, C-C などの一重結合に水（H2O）分子が付加して起こる分解反応を触媒する酵素である。

分解するときに発生するエネルギーによって基質分子

たとえば、グルコアミラーゼはアミロース（デキストを結合させる反応を触媒する。

リン）に水分子を与えてグルコースを生成する反応を2.2.2 酵素の命名法

触媒する。
４）脱離・付加酵素（lyase）

酵素の名前は基質、あるいは触媒する反応、あるい

加水分解を経ずに基質分子の C-O, C-N, C-C など

は両者の末尾に「アーゼ」をつけて行う。たとえば、の結合を開裂して、さまざまな官能基を脱離させて二アミロースを分解する酵素は「アミラーゼ」、さらに重結合や環状化合物を生成する反応を触媒する。また

グルコースを生成するものは「グルコアミラーゼ」でこの逆に C=C, C=O, C=N などの結合に官能基を付加ある。尿素（ウレア）に働く酵素はウレアーゼ、アスする反応を触媒する。

パラギン酸のアミノ基を転移する酵素は、アスパラギ

たとえば、アスパラギン酸デカルボキシラーゼは図

ン酸アミノトランスフェラーゼ、あるいはアスパラギ

2.3 に示すように、アスパラギン酸のβ位のカルボキン酸トランスアミナーゼである。このような命名法は

シ ル 基（ － COOH） を 脱 離 し て ア ラ ニ ン と CO2 に 変

国際生化学分子生物学連合の酵素命名委員会が、上の換する反応を触媒する酵素である。

ような６つの機能分類を行い、さらに反応の種類、基質によって細分化して番号を付与して決められたもの
で、たとえばアルコール脱水素酵素には EC1.1.1.1 のアスパラギン酸デカルボキシラーゼ

番号が与えられている。歴史的に慣用的に使用されたものについては常用名も使われている。

COOH
CH2
H

図 2.3

CH3
NH2

C

H

NH2

C

COOH

COOH

L- アスパラギン酸

L- アラニン+CO2

 スパラギン酸デカルボキシラーゼによるア
L- アスパラギン酸の分解反応

５）異性化酵素（isomerase）
基質分子にある官能基を分子内で転移して異性体を生成する反応を触媒する。基質の分子組成は変わらず、分子構造が変わる反応である。たとえば、グルコース
イソメラーゼは図 2.4 に示すように、グルコース⇔フ
ラクトースに変換する反応や、D- 体のアミノ酸を L-、
あるいは L- 体のアミノ酸を D- 体に変換する反応を触媒する酵素である。

グルコースイソメラーゼ
CHO

OH

C

O

H

C

OH

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

C

OH

H

C

OH

H2C

OH

H

グルコース

図 2.4

H 2C

H2C OH
フラクトースグルコースイソメラーゼによるグルコースの異性化反応式６）合成酵素（ligase）
ATP などがもつピロリン酸基の高エネルギー結合を酵素の生産と利用技術の系統化

143

3 酵素の産業利用の歴史
酵素を実用的に利用したと思われる歴史的な事象
は、たとえば、BC2,300 年頃のエジプトの壁画に見られるという、麦芽パンを用いてアルコール発酵をさせたビールの醸造や、BC800 年頃のホーマーの「イリアス」の中で、チーズ作りに子山羊の胃袋が使われた
記録などがあるが、これらは酵素と言うものを認識して利活用したものではない。
酵素の実体が明らかにされたのは 19 世紀に入ってからのことで、その頃の酵素の単離や精製、結晶化についての科学や技術の実績には次のようなものがある。
1833 年 に ペ イ エ ン（A. Payen） と ペ ル ソ ス（J.
Persoz）は麦芽からジアスターゼを単離した。1897 年、ビュフナー（E. Buchner）は酵母菌の細胞抽出液（Cell

図 3.1（高峰譲吉（1854-1922）（高岡市立博物館提供）

free extract）をグルコースに作用させるとアルコールが生成することを発見した、つまり、アルコール発酵「タカヂアスターゼ」の商品化、あるいは麦芽に代えは多数の酵素の連続反応によって起こり、必ずしも生て麹カビの酵素によるデンプンの糖化技術を確立した

きた酵母菌が必要ではないと言うことを示した。このことはこの分野の先覚者として特筆される日本人であことは、生体内の反応を試験管の中で行えることを示る。その業績は高峰の生誕や成育の地に設立されてし、その後の数多くの生化学の反応の礎を確立したこいる高岡市立博物館や金沢市立ふるさと偉人館、あるとである。ビュフナーは“生化学の父と”呼ばれている。

いは初代の社長を務めた第一三共社の歴史展示室（高キューネ（W. Kühne）は酵素に Enzyme（ギリシャ

峰譲吉博士記念室）などで顕彰されているし、また多語で“in yeast”
を表す en + zyme）の呼称を提唱した。

くの人物伝記も出版されている。しかしながら高峰の1926 年にはサムナー（J. B. Sumner）はナタマメのウ詳しいことは一般の日本人にあまり知られていないよ

レアーゼを精製して結晶化に成功した。

うに見える。そのわけは、「タカヂアスターゼ」は日産業利用を目的とした技術的な業績としては、1874

本でも商品化されたが、彼の仕事が主にアメリカを舞

年にハンセン（C. Hansen）はチーズ作りのために、台として行われ、日本には情報があまりもたらされ子牛の胃からキモシン（凝乳酵素）を単離し、製剤化なかったし、さらに当時の日本には酵素技術を評価すしたことがあげられる。

る土壌そのものがなかったためではないかと考えられ

さ ら に、1894 年、 高 峰 譲 吉 が 麹 菌（Aspergillus

る。彼がアメリカで設立した Takamine Laboratory は

oryzae ）のフスマ培養物からジアスターゼを単離し、Miles Laboratory として Miles 社に引き継がれ、現「タカヂアスターゼ」として商品化したことである。

在もアメリカでは“バイオインダストリーの父”とし日本人として酵素技術の開発で大きな業績を残した高て敬意を示されていると言われている１）。

峰譲吉のことについて少し詳しく記しておく。
高峰は 1854（嘉永 7）年富山県高岡で生まれ、間もなく金沢に移住し、語学や化学を修め、1875（明治 12）年には工部大学（後の東大工学部）を卒業後イギリスに留学し帰国後農商務省の役人となった。その後辞職して人造肥料の会社（日産化学の前身）の設立、有名な麹カビからの「タカヂアスターゼ」の商品化、アドレナリンの商品化、三共の初代社長就任、日米の交流事業への参画、などなど、幅広く大きな事業活動を手がけた科学者であり、また実業家である。特に本報告書に関連する酵素技術の分野では、前記の144

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

図 3.2「タカヂアスターゼ」（第一三共株式会社提供）

また高峰の業績を記した出版物も出されている２）。
高峰がなぜジアスターゼなどの酵素に興味と関心を示したのかは興味深いところであるが、母親の実家が酒造家であったことが理由と言われている。このような先駆的な業績を上げたが、本報告のテーマである技術の系統化の材料となるような技術的な装置や設備など
は、上記２つの博物館、あるいは第一三共社にも残されてはいなかった。残されているのは特許の写し、報告書あるいは当時の談話記事の類であった。
5 章に記すように、日本の酵素産業が本格的に始まるのは第二次大戦後のことであるが、もし高峰の考え方や技術が、これを継承する日本人の弟子や研究生がいて、日本に移植されていたなら、あるいは日本の酵素技術、あるいは酵素産業が現在とはもっと別の形で発展していた、つまり彼の活躍した 1900 年ころから、本格的に日本の酵素産業が始まる 1935 年ころから 1950 年ころの、
およそ 40-50 年のブランクが埋まった形で展開されていたかも知れない、などと想像するのも一興であろうか。実際に麹菌の酵素を用いて出願された「タカヂアスターゼ」の製法特許の文面などには、現在でも通用するような細かな技術的な記載があり、自ら実験してデータの採取を行い、これらの研究活動の中から酵素の広い応用の可能性を十分感じ取っていたのではないかと推測されるからである。
引用文献
１．山本 綽：高峰譲吉先生に思うこと、醸造協会誌
98、
689、2003
２．Miles Inc., TAKAMINE, Documents from theDawn of Industrial Biotechnology, Elkhart,
Indiana, 1988（非売品）

酵素の生産と利用技術の系統化

145

4 日本の酵素産業発展の歴史と特徴
日本の酵素産業には、酵素そのものを製品としてでの酵素産業の本格的なスタートは昭和 10 年（1935 年）扱っている企業と、酵素を手段としてそれぞれの製品

代のアミラーゼの生産である。つまり、ジアスターゼの製造やプロセスの改良に生かしている企業がある。

の業績（1894 年）からは約 40-50 年が経過しているわ

第１章の「はじめに」に記したとおり、酵素技術は
応用微生物の技術であり、日本はこれらの技術の先進

アミラーゼの用途は、従来は麦芽由来の酵素処理で国である。日本で酵素技術が発達した背景にあるもの

行われていた繊維加工の糊抜き工程に、細菌由来のアは、日本の風土と、その風土の中で磨かれた日本人のミラーゼを応用することであった。日本におけるアミ

繊細な感覚に加えて外国の技術を活用する能力であラーゼの生産研究は大阪市立大学の福本寿一郎教授らる。つまり、東アジアの湿潤なモンスーン地帯の米作によって始められたが、これらの知見を上田化学社

地帯にあって、清酒、味噌、醤油などの生産に関わる（現株式会社エイチアイビイ）や長瀬産業社（現ナガ

醸造技術が発達してきた。これらはとりもなおさず多セケムテック）が工業化した。当時の日本では繊維産くの酵素を生産するカビや酵母菌を中心とする微生物業が盛況を極めていたので、かなり大きな商品となっの応用技術である。一方、モンスーン地帯の中でも日た。さらに、第 2 次大戦後にはデンプンの糖化による本には美しい四季の変化があり、古くから“花鳥風グルコースの製造技術が確立されてもてはやされた。

月”という、季節の美しさを感じる感覚が日本人の身福本や辻阪好夫らによる糖化酵素、つまりグルコアミについている。この繊細な感覚は、味覚の中でも生きラーゼの製造技術が多くの企業で活用され、林原、天ている。つまり、日本の食文化の中心にあった昆布と野製薬（現天野エンザイム）、上田化学、阪急共栄物

鰹節のダシの味を感じ取り、その本質がグルタミン酸

産、新日本化学などの各社がアミラーゼの製造を開始とイノシン酸であることを明らかにし、さらにこれをした。背景には戦後の日本には砂糖が不足し、甘藷デ商品化しようとさえするという日本人のセンスのこと

ンプンが豊富に存在していたので、この処理と砂糖にである。実際昆布のうま味成分がグルタミン酸ナトリ

代わる甘味料の確保のために国としても積極的に取りウムであることを発見した池田菊苗が、この物質を調組まなければならない事情があった。

味料として工業化に成功したことのインパクトは甚だ一方、プロテアーゼを中心とする消化薬の生産も酵

大きく、その後のグルタミン酸、アスパラギン酸を始素産業のスタートとして大きな役割を果たした。ビオ

めとするアミノ酸、イノシン酸を始めとする核酸類

ジアスターゼ、パンクレアチンの天野製薬、酸性プロの発酵法や酵素法による製造技術の発展に非常に大きテアーゼのキッコーマン、さらに、上田化学、大和化成、な影響を与えた。さらに、池田菊苗が提唱した「うま名糖産業など各社のアミラーゼ、プロテアーゼ、リパー味」（Umami）という味の概念は数少ない日本発の国

ゼ、セルラーゼなどなどの参入が続いた。

際用語として今日も使用されていることも、その意味

これらの企業はこのような酵素類の着実な需要の増加を象徴している。このような微生物の能力を活用するとともに業績を上げ、新規の酵素の開発とともに、新し

歴史的な基本技術の上に、第 2 次大戦後欧米で進展しい用途と生産技術を取り入れながら今日に至っている。

た微生物学、生化学、分子生物学の知見と技術、特に一方、酵素技術を駆使して、それぞれの業種の製品や抗生物質の発酵生産技術はアメリカの直接の技術指導

製造技術が独自に開発されたものがある、たとえば、核もあって、直ちに日本の技術界に取り入れられ、新た酸系調味料の開発と製造に成功したヤマサ醤油社の核酸な日本の技術として花開いた。日本のお家芸と言われ分解酵素（ヌクレアーゼ）、田辺製薬社のアミノ酸を製る、“外国の刺激を受けて日本独自の文化や技術を生造するための固定化酵素技術、武田薬品社の医薬（消炎

み出す能力”がここでも存分に発揮されている。

剤）を作るためのプロテアーゼ開発、味の素社の食品加酵素の実体が明らかにされてからの微生物酵素開発

工用のトランスグルタミナーゼの開発などの例である。

の歴史は、3 章で記した高峰譲吉による「タカヂアス

表 4.1 には酵素技術の発展の中で重要と思われる発ターゼ」の商品化を嚆矢とするのが一般的な解釈である。しかし上記のとおり、高峰の業績はアメリカで行われたこともあって、これをきっかけにして直ちに日本で本格的に酵素産業が起こったとは言えない。日本

146

けである。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

見や実用化を年表上に示した１）。

表 4.1

酵素技術発展史上に重要な事項 1）

引用文献
１. 日 本 酵 素 協 会 編： 日 本 酵 素 産 業 小 史、p.122、2009.4.

酵素の生産と利用技術の系統化

147

5 酵素市場
酵素の市場を正確に把握することはかなり難しいと

表 5.1

されている。酵素の触媒能力を表す活性表示が統一さ

酵素の推定市場１）

れていないことや、用途によっても活性表示が異なる
こと、最終製品の中の酵素の割合が正確に表示されな
いこと、自社開発の酵素技術によって製品を製造する
ような場合、酵素のコストが不明で数字として表れない、などの理由による。それでも輸出入統計や様々なデータを参考にして数値が推定されている１）。
1970 年以降、世界の酵素生産と利用は大きく進展
し、市場も急拡大し、1997 年 1,500 億、2004 年 4,200
億円に増加した。そのうち工業用が 2,650、医薬・診断約・研究用が 1,550 億円と推定されている。このう
ち日本の占める割合は約 10％の 420 億円である。さらに、2009 年にはマーケットは 5,600 億円になると見込まれている。
また、1970 年ころから 2004 年までのわが国の酵素の輸出入は、1980 年までは輸入超過であったが、それ以降は輸出が上回るようになった。このことは酵素

引用文献の国産化が進むとともに、新規酵素をはじめとするわ

１． 日 本 酵 素 協 会 編： 日 本 酵 素 産 業 小 史、p. 97、が国の技術開発が他国より進んでいることを示していると読むこともできる。

２．紀藤邦康：世界の酵素市場、第 7 回酵素応用シン酵素が“触媒”という性質のものであって、意外に市場は小さいが、仮に酵素で製造される末端製品の価格の 1 ～ 2％を酵素が占めると仮定すれば、実質的には数拾兆円の市場の形成に貢献している２）、とも考えることができる。

148

国立科学博物館技術の系統化調査報告

2009.4.

Vol.14 2009.May

ポジウム講演要旨、p. 14-15、2007.7.

6 酵素の生産に関する要素技術の進歩
酵素生産に関する要素技術は以下の 5 項目に分けることができる。

6.1.2.

基本培地と培養条件の設定

スクリーニングで得られた候補株を用いて生産用の

１） 生産菌株のスクリーニング培地が設定される。炭素源、窒素源、ミネラル、ビタ

２） 生産菌株の育種改良

ミンなどの生育因子を含む基本培地を設定し、目的の３） 生産菌株の大量培養

酵素の生産量を指標に、これら各成分の最適濃度が決

４） 培養液からの酵素の単離・精製められる。さらに有効な添加物を選んでこれに加えら

５） 製造装置とエンジニアリングれることもある。培地成分がそろったところで培養温
度、ｐＨ，通気などの培養条件が決められ、この条件

6.1 生産菌株のスクリーニング

下で生産株の力価が決められる。以上は試験管あるい

工業的に利用される酵素の大部分は微生物に由来す

ところで再度スクリーニングが行われ、より優秀な菌る。数多い微生物の中から有力な生産株をスクリーニ

はフラスコスケールの実験である。培養条件が揃った株が採取されることもまれではない。

ングすることが酵素生産のスタートになる。酵素の生産に限らないが、微生物のスクリーニングとは、理論では予測することは難しく、いわゆる「運・鈍・根」の勘の勝負と言われる地道な作業であるが、“たゆまざ

6.2 生産株の育種改良
6.2.1.

突然変異による改良

る工夫と必ず成功するという信念とに裏打ちされた独生産株の育種改良の操作や変異株の選択については

特のスクリーニング法の確立”をもって臨んだ人々が一般的な方法を記す。１次スクリーニングで選抜された

共通して成功を収めている。

菌株の改良が行われる。細菌では菌体そのもの、カビや動物起原の酵素は動物体や培養細胞から抽出されて放線菌では胞子に変異処理を施す。具体的には菌体や胞いたが、得られる量が少ないため実用化が困難であっ子の懸濁液に紫外線を照射したり、ニトロソグアニジン

た。遺伝子工学技術の進歩によって、動物起源の酵素

やエチルメタンスルフォン酸などの化学薬剤に曝すこを微生物で生産することが可能になって来ている。

とによって行う。この処理によって大部分の生菌は死滅するが、生き残ったものの中には高頻度で突然変異が起

6.1.1

スクリーニングの手法こっているので、これらの中から親株より力価の向上し多くのサンプルの中から効率的に生産菌を選択する

たものを選択する。この操作を繰り返すことによってさためプレート上での操作が行われた。一般的には、微らに力価を上げる。
突然変異の技術が始められた当初は、生物の生育に必要な基本的な成分と、酵素の基質となランダムに変異株を採取して手当たり次第に調べてゆる物質を含むプレート上にテストする微生物を接種しく方法が取られていたが、タンパク質合成調節のメカニて培養し、基質がどのように変化するかを調べる工夫

ズムが明らかになるにつれて、酵素生産の抑制を除くがとり入れられる。たとえば、デンプンを分解するア

ために、対応する工夫を加えた選択法が工夫されている。

ミラーゼ生産株、タンパク質を分解するプロテアーゼ

たとえば、栄養要求性変異株、糖やアミノ酸などのア生産株、セルロースを分解するセルラーゼ生産株は、ナログ、タンパク質合成阻害剤耐性株などの誘導によっ

基質の炭素源として、それぞれ、デンプン、カゼイン、てしばしば好結果が得られている。

濾紙を含む培地を使用し、その上に天然界から採取した微生物を培養し、これらの基質を溶解してできる班

6.2.2.

遺伝子工学技術による改良（ハロー）の大きさによって判別された。班ばかりで6.2.1 に記した突然変異がランダムな選択で効率がなく、色の変化であったり、さまざまな工夫が取り入良くないのに対して、遺伝子工学技術は特定の遺伝子れられた。最近ではロボットの操作によって、培養かを単離し、これを増幅することを可能にした。遺伝情らデータの解析まで、より大量のサンプルを自動的に報の発現の流れの中では、DNA 上の変化はタンパク質

処理するハイスループット操作が行われている。

の変化として発現されるので、このことは、取りも直さず特定のタンパク質（＝酵素）を改変したり増幅したりすることが可能になったことを意味している。し酵素の生産と利用技術の系統化

149

たがって、酵素の生産向上という目的のためには、この技術はきわめて確率の高い、有効な、応用範囲の広い技術である。

6.2.3

タンパク質工学技術による改良

タンパク質工学技術は元来の遺伝子 DNA の配列を改変して使用目的に合った機能や性質をもつ人工酵素を酵素の生成や活性の調節メカニズムが分子のレベ創る技術である。次のような操作によって行われる。

ルで明らかにされてきた。ジャコブ（F. Jacob）とモ

特定の遺伝子を単離（クローニング）し、その塩基配ノー（J. Monod）によるオペロン説によれば、酵素列に基づいてアミノ酸配列を決定し、さらに必要に応タンパク質のアミノ酸配列をコードする遺伝子は、酵

じて、Ｘ線解析による 3 次構造の決定、コンピュータ

素の本体である構造遺伝子と、その発現を調節する制グラフィクスによる高次構造のモデル化、酵素の構造

御遺伝子（プロモータやオペレーター）から構成されと反応のメカニズムの相関性などの解析を行う。しかており（図 6.1）
、インデューサー（誘導物質）がない

る後、酵素遺伝子の塩基配列を変えることによって酵時にはリプレﾂサーがオペレータに結合して RNA ポ

素タンパク質のアミノ酸残基を改変して、酵素の活性、リメラーゼの働きを停止させるため、酵素タンパク質

安定性、耐熱性などの向上や基質特異性の変化を図るの合成は起こらないが、インデューサーを加えるとリのがタンパク質工学技術による改良の例である。たとプレッサーに結合してリプレッサーがオペレータに結

えば、洗剤用に使われる Bacillus clausii 由来のア

合しなくなるので酵素が活発に合成される。このこと

ルカリプロテアーゼの 222 番にはメチオニン残基が存から、制御遺伝子を改変することによって酵素合成を在するが、この残基は漂白剤によって酸化を受け、酵大幅に向上させることが可能になった。また、遺伝子素が失活することを意味する。そこでメチオニン残基のコピー数を増幅すれば酵素タンパク質を増加させる

を酸化を受けないアラニンやセリン残基に置換するこことも明らかである。こうして遺伝子を改変することとによって漂白剤に耐性の洗剤用プロテアーゼがノボによって酵素の生産が向上することが実証されているノルデイスク社で開発されている。このような技術にが、実用化についてはすべてが順調に達成されている

よってほかにも、カビの凝乳酵素、リパーゼなど多く

わけではない。現時点では南北アメリカでかなり積極の改良が行われている。

的に展開されているのに対して、日本やヨーロッパの諸国では、遺伝子工学技術が必ずしも社会的に受容されていない状況にあり、技術的な価値は出ているにも拘わらず、分野によっては、特に食品関連の酵素では6.3 大量培養
生産株が改良され、試験管やフラスコレベルのテス

r：リプレッサー、p：プロモーター、o：オペレーターを担う遺伝子を示す。

実用化が進んでいない現状にある。この状況は遺伝子
プロモーターには RNA ポリメラーゼが結合し、mRNA が合成され、タンパク質

トで生産が確認されると、これを実用生産のレベルに組換え大豆やトウモロコシの生産の場合と似ており、スケールアップされる。微生物の種類と特性に応じて、が合成される。オペレーターにはリプレッサーが結合することによって mRNAの合成が停止する。インデューサーを加えるとリプレッサーに結合することに南北アメリカでは拡大しているが、日本とヨーロッパ
よってオペレーターに結合出来なくなり、mRNA が合成され、タンパク質の合大量培養には固体培養と液体培養が行われる。

成が誘導される。
では現在も進んでいない状態にある。

制御遺伝子

構造遺伝子

6.3.1

固体培養

平板な容器にフスマや米などをベースにした固体培
r

p

o

A 遺伝子

B 遺伝子

C 遺伝子
DNA
（転写）
mRNA
（翻訳）

地を投入し、ここに主にカビの胞子を接種し、30 ～
40℃で数日間培養した後菌体を集めて、生成した酵素を抽出する。この操作や装置は清酒醸造で用いられる
麹蓋（こうじぶた）で麹を作る操作に相当するものである。1960 年には天野式強制通気製麹装置や、これ

タンパク質
リプレッサー

A 酵素

B 酵素

C 酵素

タンパク質合成の調節を示すオペロン説の概略

r：リプレッサー、P：プロモーター、O：オペレーターを担う遺伝子を示す。プロモーターには RNA ポリメラーゼが結合し、mRNA が合成されタンパク質 が合成される。オペレーターにはリプレッサーが結合することによって mRNA の合成が停止する。インデューサーを加えるとリプレッサーに結合することによってオペレーターに結合できなくなり、mRNA が合成され、タンパク質の合成が誘導される。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

液体培養

液体培地を用いる通気攪拌培養装置である。主とし不活性型リプレッサー

150

酵素の製造や醸造用麹の製造に活用されている。
6.3.2

インデューサー

図 6.1を改良した円盤型製麹装置が製作され、カビを用いる

Vol.14 2009.Mayて抗生物質の発酵生産のために開発され、これをベースにアミノ酸や核酸発酵など、一般的に使用される
ジャーファーメンタ、あるいは発酵タンクである。図6.2 にその概略を示した。システムの構成は、微生物

を培養する発酵タンクを中心に培養に必要な①空気殺酵素生産株

菌、②培地殺菌、③温度制御、④ｐＨ制御、⑤全体系の殺菌システムがあり、これらの管理はコンピュータ（固体培養）（液体培養）

制御で行われている。ここでは試験管やフラスコレベ

固体培養菌体液体培養菌体ルの実験で得られた結果を再現あるいは向上させると（遠心分離）

ともに、フラスコレベルの実験ではやりにくい通気、
菌体

上清（菌体内酵素）（菌体外酵素）温度、ｐＨ，基質のフィード法、浸透圧の調節、発泡の制御などの条件がテストされる。スケールは数リッ（抽出）

トルのジャーファーメンタから数百トンの大型タンク
までさまざまであるが、システム自体は基本的に同じ（菌体破砕）
抽出液である。

（遠心分離）

上清

（濃縮）

残渣

（濃縮）

（廃棄）

塩類、溶媒、酸、アルカリ
沈殿

上清

（廃棄）

（膜分離）
（透析、限外濾過、精密濾過など）（クロマトグラフィー）（ゲル濾過、イオン交換、アフィニティなど）

（分画）

（濃縮）

結晶酵素

図 6.3

図 6.2

一般的な酵素の単離精製フローチャート

大量培養装置の略図 1）

酵素の生産と利用技術の系統化

151この段階まで精製を行うのは実験室段階のことで、実6.4 酵素の単離・精製

用的にはこのレベルまでの精製度が要求されるケースは少ないようである。

酵素生産のダウンストリーム（下流）技術が培養液または培養菌体からの酵素の単離・精製工程である。
精製の程度は酵素の使用目的によって大きく異なり、

6.5 酵素の製造装置とプロセス管理

夾雑物が問題にならないような場合には培養物や細胞酵素の製造装置は菌株の大量培養装置と単離・精製抽出液がそのまま酵素源として使用される。また、食装置である。6.3 および 6.4 に記載のとおり、試験管品用途に使用される酵素については安全性が特に重要

あるいはフラスコスケールでの実験結果を再現し、こ視されるので、歴史的に安全に使用されてきた微生物

れらをスケールアップしたものである。培養においてや安全性についてのデータが集積されている微生物がは、培地の調製、殺菌、温度、ｐＨ，通気量のコントロー

用いられる。一方、医薬品のような不純物の混入が問ルなど、すべてコンピュータで制御されている。同様

題になるようなケースでは、酵素は結晶化するくらいに単離・精製の工程においては、それぞれの工程の操まで単一成分として精製しなければならないこともあ

作は多様に見えるが、6.4 にあげた操作が全て必要でる。いずれにしても大事なことは、酵素の失活を最少あるわけではなく比較的シンプルなものであるが、培に抑えて単離することである。

養の場合と同様にコンピュータ制御の製造管理が行わ

一般的な単離・精製のフロチャートを図 6.3 に示しれている。

た。微生物によって生産される酵素が菌体内酵素の場
合には、菌体を破砕して取り出す必要がある。菌体破引用文献

砕の方法は、ブレンダーやダイノミルで物理的に破砕

１．Nakamori, S. and Shibai, H.: R&D Trend

する方法、凍結融解、自己消化、細胞壁溶解酵素を使

Analysis. “Biotechnology in Japan”, p. 84,

用する方法などがある。菌体破砕液は遠心分離、またKRI, Jan. 2001.

は濾過して、上清または濾液をとる。菌体外酵素の場合には酵素は培養液の中にあるので遠心分離で菌体を除いた上清が使用される。この段階では菌体破砕液
や培養液中の酵素濃度は低いため、それぞれの液を低温で濃縮し、さらに酵素タンパク質を沈澱させる操作が行われる。この操作にはアルコールやアセトン
による溶媒沈澱、高い濃度の硫安などを加えてタンパ
ク質を沈殿させる塩析、さらに等電点沈澱がある。等電点はタンパク質が酸性残基（-COO-）と塩基性残基（－ NH3+） を同時にもつ両性電解質であるが、溶液のｐＨが変わり両者が互いに打ち消しあって荷電がゼロになる時点のｐＨのことである。このときのタンパク
質の溶解度は最低となるので、このｐＨに合わせて沈殿させる方法が等電点沈澱である。
次のステップとして、塩類などの低分子物質を除く
必要がある場合には、透析や、分子量の違いを利用して篩分けをする限外濾過、ミクロ濾過など、膜による分離工程が入る。
さらに次のステップではゲル濾過、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニテイクロマトグラフィーなどで分画して、最終的に酵素を含むフラクション（画分）を集めて濃縮する。かなりノウハウ的な技術が要求されるが、この濃縮液から酵素が結晶化できたら、最高度の精製ができたことになる。
上に記したとおり、

152

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

7 酵素の利用に関する要素技術
酵素の製品の形態は溶液、粉末、あるいは生産株そのものであるが、使用目的に応じて加工される。それらの要素技術として酵素の固定化、酵素の顆粒化、と酵素の溶液化を取り上げる。

7.1 酵素の固定化技術
酵素の使用法については過去には 7.2 に記載する粉末酵素の使用によるアレルギー反応などの問題があったが、これも現在では解決され、特に注意しなければならないと言うことは少ない。これは酵素が一般的に安全性の証明された菌株を使用して作られ、水溶液の中で反応を行い、反応終了後も除去する必要もないか

図 7.1

らである。ただ、酵素が高価であったり、酵素と生成物を厳密に分離しなければならないような場合には、

7.1.2

酵素の固定化の模式図

架橋法

酵素が固体の化学触媒のように反応液から分離するこ

2 個またはそれ以上の官能基を持つ化合物、つまりとが可能で、しかも安定に繰り返し使用できることが架橋剤、を介して、酵素分子同士を結合する方法であ望ましいことである。このような視点から開発されたる。架橋剤としてグルタルアルデヒド（CHO-CH2-CH2-

技術が酵素の固定化（immobilization）である。これ

CH2-CHO）が良く使用される（図 7.1）。

によって酵素の利用が大きく拡大された重要な技術となった。

酵素の固定化法には担体結合法、架橋法、包括法の３つの方法がある。

7.1.3

包括法

文字通り、酵素または酵素を含む菌体を包む方法である。その方法によって１）格子型、２）マイクロカ

7.1.1.

担体結合法

プセル型に分けられる。先に記した担体結合や架橋法

この方法は水に不溶性の担体に酵素を１）物理的吸では酵素に結合反応を加えたのに対して、この包括法

着法、２）イオン結合、３）共有結合、のいずれかのでは、酵素はそのまま（native）、手を加えない形で方法で、それぞれ結合させるものである。物理的吸着使えるので、取扱いは容易であり、包括の際の酵素の法に使用される担体は、多孔質のガラス、酸性白土、失活にだけ注意を払えばよく、多くの酵素に適用されカオリナイト、ベントナイトなどの粘土類、セラミッている。

クスやヒドロキシアパタイトなどの陶磁性の物質で、格子型包括法では高分子のゲルの格子の中に酵素をこれらの材料に酵素を物理的に吸着させたものが物理取り込む。高分子物質にはポリアクリルアミド、ポリ的吸着法である。このように操作自体は簡単なものでビニルアルコール、ウレタンポリマー、などの合成化あるが、欠点は酵素が担体から離れやすいことである。

合物、ゼラチン、アルギン酸、カラギーナンなどの天イオン結合法は水に不溶性の担体のイオン交換基と酵然高分子化合物がある。

素を結合させるもので、担体としてイオン交換樹脂がマイクロカプセル型の包括法はナイロン、エチルセ用いられる。
共有結合法は酵素がもっているアミノ基、ルロース、ポリスチレンなどの水に不溶性の半透膜

カルボニル基、スルフヒドリル基などを、担体が持つの高分子化合物で酵素を包む。反応に関与する基質やジアゾニウム基、ハロゲン化アルキルなどと反応させ反応生成物がこれらの包括剤を透過する必要があるのて結合させる方法である。いずれの場合も酵素の活性で、高分子化合物が基質や反応生成物である場合には部位以外の箇所で担体と結合させる必要がある。（図一般的には包括法は適用できない。

7.1）。

固定化酵素の工業化については田辺製薬（現田辺三菱製薬）社から先駆的な多くの実績が報告された１）。
また同社で開発された固定化酵素の調製に用いられた酵素の生産と利用技術の系統化

153

“固定化酵素切断機”はこの技術分野で重要なものと考え、産業技術史資料調査票にリストアップした。

５）BG 顆粒
製パン用および食品加工にも各種の酵素が使用される。酵素の粒子を基材とともに凝集させたものが BG

7.2 酵素の顆粒化技術
酵素が利用されるときの一般的な形態は粉末である。しかしこの粉末の形態では取扱いが容易でない上（granule for baking）と呼ばれている。
６）MG 顆粒
食塩やデンプン粒などの基材の周りに酵素を噴霧して顆粒としたもの。物理的な強度が高められた。

に、1960 年代から始まったプロテアーゼを洗剤用酵素として利用した時に、酵素粉末の飛散によって工場の作業者や消費者に呼吸器疾患やアレルギー障害が報7.3 酵素の溶液化技術告された。このため、酵素の開発も中断されたといわ酵素を液状にして使いやすさと飛散を抑えた技術でれている。この問題点をクリアしたのが酵素の顆粒化ある。酵素を安定に、しかも安全に溶かすことがポイ技術である。顆粒化技術は次のような進歩を遂げていントで、たとえばプロピレングリコールなどが溶媒と

２）

る 。

して使用される。

１）プリル顆粒
酵素の原末と無機塩類を主成分とする基材、非イオ
ン性界面活性剤、およびワックスを混ぜて噴霧し、これを急速に冷却して球状の小滴としたもの、これはプリル（小さな）顆粒と呼ばれている。プリル顆粒の問
題点は、酵素が顆粒表面に出たり、また顆粒の物理的な強度が弱いため、酵素の粉末が飛散する可能性がな
お高いことであった。
２）マルメ顆粒
酵素を顆粒の内部に封じ込め、しかも顆粒の強度を高める方法として、酵素の原末、基材と水からなる混合物をマルメライザー（丸める）と呼ばれる円筒状の容器の中で球状の顆粒として水分を蒸発させた後ワッ
クスでコーテイングするもので、酵素の飛散がさらに完璧に防止された。1979 年に酵素入り洗剤が売り出されたときの製品はこの方式で製造された。
３）T 顆粒顆粒の物理的強度をさらに高めたのが T（tough）
顆粒と呼ばれているものである。顆粒の核の中にセル
ロース繊維を入れ、基材には無機塩、カオリンなどが、またコーテイング材はポリエチレングルコール、色の調整には酸化チタンが使われている。低温での溶解性と酵素の保存安定性をさらに高めた TK 顆粒も開発されている。
４）CT 顆粒
消化を促進するために動物用飼料にα―アミラーゼ
やセルラーゼが添加される。飼料材料は滅菌とデンプンの糊化のために短時間ではあるが高温に曝されるので、この処理に耐えて安定性を示すと同時に、動物の消化器の中で溶解しやすいことが望ましい。このために融点の高い、消化性の良い油脂でコーテイングして（coating & tough）作られる顆粒である。

154

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

引用文献
１． 千 畑 一 郎 編：｢ 固 定 化 酵 素 ｣、 講 談 社、p. 9、
1975.
２．坂口博脩、T.T. Hansen：産業用酵素の顆粒化製剤、粉体と工業、36､（10） 1-8、2004

8 酵素の生産と利用（各論）
図 8.1 に示されるように、アミロースを任意の箇所で8.1 デンプン分解酵素

分解し、比較的低分子のアミロースを生成する。このわが国の酵素の技術が最も早く応用されたもののひで液化アミラーゼの名前の由来がある。β - アミラー

とつがデンプン関連の酵素である。先述の高峰譲吉に

ゼはアミロースの任意の箇所で分解し、グルコース 2

よって作られ、消化剤に使用された「タカジヂスター

分子毎、つまりマルトースを生成する酵素である。グゼ」もデンプン分解酵素が中心的な働きをしている

ルコアミラーゼはアミロースの非還元末端からグル反応によって水に不溶性のデンプンが可溶性になるのコースを生成するもので、プルラナーゼはアミロペク
8.1.1

デンプン分解酵素の分解様式

チンのα -1,6 結合に作用してアミロースを生成する

デンプンの構造は図 8.1、8-2 に示すように、グル酵素である。表 8.1 にはこれらデンプン分解酵素の反コースがα -1,4 結合でつながったアミロースどうし

応様式、生成物、用途および生産菌株をまとめて示しが、所々でα -1,6 結合によってつながったアミロペ

た。α - アミラーゼは繊維を加工するときに使用されクチンの木の枝のような構造から出来上がっている。

る糊抜き、消化剤、あるいはデンプンからマルトース

このデンプンを加水分解する酵素は分解の様式の違やグルコースを製造する前段の反応に使用される。現いから４種類見出された、
つまりα -、β -、グルコ（γ在（平成 20 年）特に注目されているトウモロコシか-）アミラーゼ、およびプルラナーゼである。図 8.1 にらのバイオエタノールの製造にはグルコアミラーゼとはそれぞれの酵素の作用点を示している。

ともに重要な役割を演じる酵素である。
ﾏﾙﾄｰｽの製造
表 8.1

デンプン分解酵素の種類、分解様式、生成物、用途および生産菌株

表 8.1 デンプン分解酵素の種類、分解様式、生成物、用途および生産菌株
酵素の種類

分解様式

生成物

用

途

生産菌株

（図 8.1 参照）
α-ｱﾐﾗｰｾﾞ
β-ｱﾐﾗｰｾﾞ

α→
β→

ｱﾐﾛｰｽ
ﾏﾙﾄｰｽ

Bacillus licheniformis

糊抜き、消化剤、ｸﾞﾙｺｰｽ、ﾏﾙﾄｰｽの製造
ｻｲｸﾛﾃﾞｷｽﾄﾘﾝの製造など

水 飴 、ﾏﾙﾄｰｽの 製 造

麦芽、B. polymixa

B. amyloliquefaciens

ｸﾞﾙｺｰｽの製造
ｸﾞﾙｺｱﾐﾗｰｾﾞG→

ｸﾞﾙｺｰｽ(α-ｱﾐﾗｰｾﾞとともに)Rhizopus delemer
Aspergillus niger

ﾌﾟﾙﾗﾅｰｾﾞ

8.1.2

P→

ｱﾐﾛｰｽ

ﾏﾙﾄｰｽの製造

Klebsiella sp.

(β-ｱﾐﾗｰｾﾞとともに)Bacillus sp.

α－アミラーゼ

この酵素の生産菌株は、いわゆる枯草菌系統の、
図 8.1 デンプンの構造とデンプン分解酵素の切断箇所：グルコース
アミラーゼ

：切断箇所

G：グルコアミラーゼ

α：α- アミラーゼ

β：β-

P：ブルラナーゼ

Bacillus subtilis , B. licheniformis , B. amyl
oliquefaciens などである。わが国におけるこの酵素の生産は 1914 年にB. subtilis をふすま麹式の固体培地を用いて静置培養して得た酵素を繊維工業の糊抜に応用したことに始まる。第 2 次大戦後は、現在も行われている通気攪拌培養法が行われている。この培養の基本的な培地には、炭素源としてコーンスターチ、窒素源としてコーンステイープリカー（デンプンを抽出した残液）、脱脂大豆粉、酵母エキス、など、ほかにリン酸ナトリウムなどのミネラル成分が補給される。

図 8.2

アミロペクチンの構造とα -1,4、α -1,6 結合

α - アミラーゼは別名液化アミラーゼとも呼ばれ、

4

温度３７℃、
ｐＨ中性付近、
4-5 日間の培養が行われる。
菌体を除いた培養液からの酵素の分離はデンプンに吸酵素の生産と利用技術の系統化

155

着させる方法が行われている。現在のα－アミラーゼの多糖である。マルトトリオース（グルコース３分子の需要は、次項のグルコアミラーゼとともに、グルコーがつながったもの）がα -1,6 結合で重合した規則的スの生産を目的とするものが最も大きい。しかしこの 2な構造をもっている。プルラナーゼはプルランだけでつの酵素は温度やｐＨなど反応条件が異なるため、反はなく、デンプン、グリコーゲンなどのα -1,6 グリ

応条件を変えなければならない不便があるので、両者コシド結合を加水分解する。一方、プルランには作用の差を小さくするような酵素の開発が進められている。

せず、デンプン、グリコーゲンのα -1,6 グリコシド

タカアミラーゼＡは前に記したとおり、1894 年に結合を切る酵素イソアミラーゼも発見されている。

高峰譲吉が発見した麹かび（Aspergillus oryzae ）にこの酵素の作用は図 8.2 のデンプンの構造から見よって作られる「タカジアスターゼ」から精製された

られるように、デンプンの“枝切り”の酵素であり、ものであり、基本的には高峰による方法が継承されて

β - アミラーゼと併用してマルトースの生産に、またいる、つまり、麹かびを用いるふすまの固体培養で生他のアミラーゼと併用してグルコースの生産向上に産されている。当然のことに、多くの改良が加えられ利用されている。工業的に利用されている生産株はていることは言うまでもないところで、たとえば、使Krebsiella aerogenes , Bacillus sp . で、通常の通気攪

用菌株である A. oryzae はその後突然変異によって生拌培養が行われている。

産性が改良されているほか、設備や装置のサニタリー
化によって品質の向上をはかり、酵素の抽出工程では

林原（株）、天野エンザイム、ノボノルデイスクバ
イオインダストリー社などが主なメーカーである。

強制抽出による回収率の向上、濾過工程ではミクロフィルタや限外濾過のような膜技術を活用して品質の

8.1.5

β - アミラーゼ向上が図られている。この酵素は現在も第一三共の胃

この酵素はデンプンのα -1,4 グリコシド結合を非腸薬に使用されているほか、一般のα－アミラーゼと還元末端からマルトース単位で加水分解してマルトー

しての用途にも使用されている１）。

スを生成する。麦芽由来の酵素が使用されている。麦芽糖の水飴、マルトースシロップなどに用いられてい8.1.3

グルコアミラーゼる。微生物では Bacillus 属の細菌が生産する。

この酵素の生産株は Aspergillus niger , A. awamoriなどのカビ、および Rhizopus delemar などクモノスカビである。前者は大型の通気攪拌培養で、後者はふすま培地を用いる固体培養で生産されている。通気攪拌

8.2 糖質関連酵素
8.2.1

グルコースイソメラーゼ

培養された Aspergillus では他の酵素が同時に生産さこ の 酵 素 の 開 発 は 1957 年 マ ー シ ャ ル（R. O.

れる、たとえば、副生するマルトースを原料にしてオMarshall）らが、5 単糖である D- キシロースを D- キ

リゴ糖を生成するグルコシルトランスフェラーゼなど

シルロースに異性化する酵素、キシロースイソメラーである。このため副生物などに注意しなければならな

ゼが Pseudomonas hydrophila によって生産され、こい場合などには酵素の起源に注意を払う必要がある。

の酵素はまたグルコースをフラクトースに異性化する

グルコアミラーゼはアミロースを非還元末端からグことを見出したことから始まる。この酵素の名前はこルコース単位で分解する酵素で、グルコースの生産にの反応に由来する。この酵素を有効に活用して、比較不可欠の酵素であるとともに、グルコースイソメラー

的安価で甘味の少ないグルコースから、果物のさわやゼを用いる異性化糖の生産にも重要な酵素である。まかで高い甘味を示すフラクトース（果糖）を生産しよた、4 章で記したように、グルコアミラーゼは多くのうという試みが行われた。この反応はグルコースとフ企業が生産を開始した酵素であり、わが国の酵素産業

ラクトースが平衡状態を保っているので、２つの糖ののスタートに大きな意味をもっている。

混合物として異性化糖が得られた。反応式は図 3.4 に示す通りである。異性化糖はフラクトースの甘味をも

8.1.4

プルラナーゼつことから飲料に多用され、1999 年の我が国の生産

プ ル ラ ナ ー ゼ は 1961 年 に プ ル ラ ン を 分 解 す る
酵 素 と し て ベ ン ダ ー（H. Bender ） ら に よ っ て、

156

量は砂糖の消費量とほぼ同量を占めるまで増加したと言われている。

Krebsiella aerogenes から発見された。プルランと1960 年ころからわが国でもこの酵素生産株のスクは 黒 色 酵 母 の 一 種 で あ る Aureobasidium pullulans

リーニングが開始され、放線菌である Streptomyces（旧名 Pullularia pullulans ）が細胞外に作る高分子

phaeochromogenes , S. albus, S. murinus などが得ら

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Vol.14 2009.May

れた。これらの菌株の培養には炭素源としてグルコー

コースが反転してα、α -1.1 結合を形成し、これをス、コーンスターチをα－アミラーゼで液化したもの、グルコース２分子単位で切断するという２段の反応

窒素源として脱脂大豆、その他ミネラルのほかに、酵を触媒するマルトオリゴシルトレハロース合成酵素

素の誘導物質としてキシロースが必要である。培養は（MTSase）とマルトオリゴシルトレハロースヒドロラー

35℃程度で行われる。この酵素は固定化することによっゼ（MTHase）の作用によるものである。

て威力を発揮した。固定化酵素は菌体をキトサンや親
水性乳液状のアニオン交換樹脂に混合して凝集させてO

これを顆粒状にし、グルタルアルデヒド溶液に浸して

O

O

O

O
OH

O

O

架橋反応させて乾燥させて調製する。固定化酵素を用

O

O

n
アミロース

いる異性化糖の生成反応はグルコースを原料として、
MTSase55℃付近で行われる。酵素の安定性を示す活性の半減期は 2,000 ～ 3,000 時間と言われている。

O

O

O

O

O

O

O

O

O

n

8.2.2

アミロシルトレハロース

トレハロース生成酵素

MTHaseトレハロースは、動物、植物および微生物界に広く分布している化合物で、生理学的な役割は細胞の浸透O圧の調節、耐乾性の付与などと考えられている。このO

O
O

トレハロースを生成する酵素が林原生化学研究所によって 1990 年代に見出された。この酵素の応用によってデンプンから 300 ～ 400 円／ kg という、従来に比

O
OH

O

O

O

n
アミロース

図 8.4

トレハロースアミロースからのトレハロース生成反応式

較して非常に安価なトレハロースが供給されるようになり、トレハロースの利用が大きく拡大されることに

MTSase、MTHase の 生 産 株 は Arthrobacter ,なった。すなわち、食品などの品質劣化防止作用とし

Sulfolobus , Brevibacterium などに属する細菌であるて色の変化、デンプンの老化、油脂の変敗、タンパクが、実用生産には Arthrobacter 属の細菌が突然変異

質の変性、吸湿、などの防止に有効であるほか、好まによって改良された菌株が使用されている。トレハ

しくない味（苦味、渋味、えぐ味など）の低減、抗酸

ロースの供給は林原（株）の独走状態と思われる。

化物質を安定に維持する作用、鮮度の保持、虫歯予防効果、などなど、さらに医療用途として臓器の保護や手術後の癒着の防止にまで、広範囲の効果が示されて

8.2.3

サイクロデキストリン生成酵素

サイクロデキストリン（ＣＤ）はデンプンから生成いる。

するデキストリン（アミロース）がα -1,4 グルコシ

１）トレハロースの構造式

ド結合でリング状に結合した化合物の総称であるが、この物質の構造式は図 8.3 に示すようにグルコース

これらのうちグルコース分子が６、７、８個繋がったがα、α -1.1 結合した非還元性の甘味をもつ二糖でものが、それぞれ、α－ＣＤ，β―ＣＤ , γ―ＣＤとある。

呼ばれる。これらのリングの外側は親水性、内部は疎水性の性質があるため、まずＣＤに取り込まれた色素が溶液中で安定に保存されることが示されて以来、多くの用途に活用されるようになった重要な物質である。これらのＣＤ類を生成する酵素がサイクロデキス
トリン生成酵素（cyclomaltodextrineglucanotransfer
ase : CGTase）である。
原料のデンプンからの CD の生成経路の概略を図 8.5
図 8.3

トレハロースの構造式に示した。また各種 CGTase の生産株とそれらの性質を表 8.2 に示した。

２）トレハロースの生成反応経路
トレハロースのデンプン（→アミロース）からの生成経路は図 8.4 に示す通り、アミロースの末端のグル酵素の生産と利用技術の系統化

157

合したオリゴ糖が生成する。これらはグリコシルシュー
クロースと呼ばれ、これを主成分とする水飴がカップリ
デンプン

ングシュガーである。例としてグルコースが１分子結合したグルコシルシュークロース（エルロース）の構造式
を図 8.6 に示す。カップリングシュガーの特徴は虫歯にα・アミラーゼ 又は CGTase

デキストリン（アミロース）

ならない、抗う触性をもつこと、およびまろやかな甘味を示すことで、年間 6,000 トンほど生産されている。

CGTase

CH2OH

CH2OH

OH

O

HO

β-CD

γ-CD

※

表 8.2

グルコース

各種起原の CGTase の性質

HO

OH

CH2OH

O
OH

シュークロース

図 8.6 グルコシルシュクロースの構造式はグルコースを示す

図 8.5 デ
 ンプンからのサイクロデキストリン（CD）の生
成反応

O

HO

HO
α-CD

CH2OH
O

O

8.2.4

αｰグルコシルトランスフェラーゼ

シ ュ ー ク ロ ー ス（ 砂 糖 ） 分 子 内 の グ ル コ ー ス とフ ラ ク ト ー ス の α -1,2 結 合 を α -1,6 結 合 に 変 えて、パラチノースを生成する反応を触媒する酵素で、Protaminobacter rubrum が生産する（図 8.7）。パラ
チノースは抗う触性の甘味料でキャンデイなど多くの菓子類に使用されている。三井製糖による年間の生産量は 5,000 トンを超えていると言われている。

グルコシルトランスフェラーゼ
CH2OH

CH2OH

O

O

O
O

CH2OH

CH2

O

CD は分子の空間の中に種々の物質を取り込み、包接化合物を形成して物質の物性を安定化するので、応

O

CH2OH

CH2OH

用が拡大されてきた。たとえば、香料や香気成分などの揮散しやすい物質の安定化、空気や紫外線、水などで分解や変質する物質の安定化、水に溶けにくい物質

シュークロース

図 8.7の可溶化、脂肪など油性物質の乳化や粉末化、苦味や渋味などのマスキング、さらに、医薬や食品の有用成分の体内での吸収性の向上、などなど多くの用途が開発されている。

グルコースオキシダーゼ

グルコースを酸化してグルコン酸に変換する酵素である。この酵素は植物、微生物界に広く分布して身近な例としては、茶製品のカテキン量の増加など
も CD の活用で行われているという。

158

8.2.5

パラチノース

グルコシルトランスフェラーゼによるシューク
ロースからパラチノ－スの生成

い る が、1926 年 に ミ ュ ー ラ ー（D．Muller） が 黒 麹
カビ（Aspergillus

niger ）の菌体抽出液から得た

一方、サイクロデキストリンを合成する反応系にの が 最 初 で、 そ の 後 A. niger の ほ か A. oryzae ,シュークロース（砂糖）を加えるとシュークロースのPenicillium glaucum , P. notatum , P. chrysogenum ,グルコース側にグルコースやマルトースがα -1,4 で結P. amagasakiense な ど の カ ビ 類 の 多 く が 生 産 す る

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Vol.14 2009.May

こ と が 見 出 さ れ た が、 工 業 生 産 は A. niger 、 P.

amagasakiense を用いて行われている。

また、低乳糖の牛乳が Kluyveromyces lactis 、K.

fragilis などが作るラクターゼを固定化したバイオリアクターで処理することによって製造されている。

グルコースオキシダーゼ

一方、β - ガラクトシダーゼは腸内細菌であるビヒ
COOH

ズス菌の増殖に有効で、整腸作用があるとされるガラ

H

C

OH

クトオリゴ糖の生産に活用されている。ガラクトオリ

HO

C

H

CHO
H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

酸性条件下での安定性など、用途範囲の広い素材であ

H

C

OH

H

C

OH

る。たとえば、Aspergillus oryzae 由来のこの酵素をCH2OH

乳糖に働かせると、乳糖が分解され、その構成糖であ

+ H2O

CH2OH

+ H2O2ゴ糖のそのほかの特徴は、甘味の質の良さや胃の中のるガラクトシル基を乳糖分子のガラクトシル基に転移
グルコース

グルコン酸

過酸化水素

させる。その結果、β -1,6 またはβ -1,3 結合で転移し

図 8.8 グルコースオキシダーゼによるグルコースの分解反応

た Gal1-6Gal1-4Glu、
Gal1-3Gal1-4Glu（Gal はガラクトー
ス、Glu はグルコースを、また肩つきの数字は結合す

この酵素の反応系は図 8.8 の通りで、グルコースを基質としてグルコン酸と過酸化水素（H2O2）を生成する。

る炭素の位置を示す）のガラクトオリゴ糖の混合物が得られた。

過酸化水素をセイヨウワサビから得られるペルオキシ
ダーゼを用いて分解し、発生する酸素で酸化されると

8.2.7

β - フラクトフラノシダーゼ（インベルターゼ、
サッカラーゼ）

発色する色素を比色することによって定量する。
この酵素の基質特異性は非常に高く、グルコース以

β - フラクトフラノシダーゼはシュークロース（砂外の糖類あるいはグルコースの誘導体にはまったく作糖）を加水分解してグルコース（ブドウ糖）とフラク用しない。
この性質を利用して、血液や尿中のグルコー

トース（果糖）に変換する酵素である。分解反応式をスの定量、あるいは食品中のグルコースの除去に使わ

図 8.10 に示す。菓子類の製造に使用されるシューク

れる。グルコースが原因で起こる褐変反応や溶解性の変

ロースは条件によって結晶を析出することがある。こ化を防止するためである。

の酵素を用いて、シュークロースをグルコースとフラグルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、色素

クトースの等量混合物である転化糖にすれば結晶の析を組み合わせたグルコース定量用キットも発売されて出を防止することが出来るわけである。転化糖の甘味いる。またグルコース定量用のバイオセンサーも開発さ度はシュークロースと変わらない。この酵素の生産株れ、わが国で 700 万人と言われる糖尿病患者あるいは予はサッカロミセス酵母である。

備患者の人々のグルコース量の管理に使われている。
8.2.6

β- フラクトフラノシダーゼ（インベルターゼ）

β - ガラクトシダーゼ（ラクターゼ）
CH2OH

乳糖を加水分解してグルコースとガラクトースに変換する酵素である。分解反応式を図 8.9 に示す。かな
り多くの人々は通常の牛乳が飲めないと言われてい

H

CH2OH
O

H

H

OH

H
O

CH2OH

OH H

はサプリメントとして市販され、牛乳だけではなく乳

OH

CH2OH
O

H OH

H

H

OH

H
O
H

H

OH

H OH

H

OH

ラクトース（乳糖）

図 8.9

+

H2O

HO H

OH CH2OH

OH

+

H2O

OH H
OH

H

グルコース

O

OH
OH CH2OH

フラクトースH

シュークロースβ - フラクトフラノシダーゼによるシュークロー
スの加水分解反応

CH2OH

CH2OH
O

H

+

CH2OH

O

図 8.10β- ガラクトシダーゼ

CH2OH

H

H OH

OH OH

作るラクターゼの製剤が使用されている。アメリカで

HO H

O
H

H

ではこの乳糖不耐性症の治療に Aspergillus niger が製品による下痢症状の回避に使用されている。

H

OH OH

る。ラクターゼが欠損し、牛乳に含まれる乳糖を消化出来ないため下痢症状などを示すためである。わが国

H

O

H OH

H

H

OH

ガラクトース

OH
H

+

O
H

H

OH OH

H OH

H

一方、
Aspergillus niger が作るβ - フラクトフラノ

OH

シダーゼを高濃度のシュークロース溶液に作用させる

グルコースと、シュークロースが分解されると同時に、その構成

H

β - ガラクトシダーゼによる乳糖の分解反応式
酵素の生産と利用技術の系統化

159

糖であるフラクトシル基がシュークロースのフラクト

キシランは主に５単糖である D- キシロースがβシル基側にβ -2,1 結合で転移され、フラクトオリゴ糖-1,4 結合して構成されるヘミセルロースで、ワラやが生成する。これらの主な成分は、Glu1-2Fru1-2Fru、植物の穂軸の主成分である。キシランを加水分解する

Glu1-2Fru1-2Fru1-2Fru（Glu は グ ル コ ー ス、Fru は酵素がキシラナーゼで Bacillus 属の細菌が主な生産

フラクトースを示す）である。

株である。この酵素の応用はパルプの漂泊である。パフラクトオリゴ糖は消化管の酵素で分解されず腸内

ルプの着色の原因はリグニンと考えられ、リグニンとまで送られ、ここでビヒズス菌の増殖に役立つとされキシランの結合を切るため、従来の方法は塩素系化合ている。
明治製菓の｢メイオリゴ｣など、
年間4,000〜5,000

物による漂白であるが、ダイオキシン等の発生が懸念

トンが生産され、菓子類、ヨーグルトなどに用いられされ、この酵素が活用されている。
一方、Trichoderma 由来の酵素を用いてキシランている。

を加水分解するとキシロオリゴ糖が生成するが、この8.2.8

ペクチナーゼキシロオリゴ糖はビヒズス菌の良好な増殖因子として植物体の非木質化組織に特有の酸性の多糖類がペク

食品に使用されている。

チンで、柑橘類の皮、リンゴなどの果実など、多くの細胞間物質を形成し、糖や酸を加えるとゲル化して8.2.13タンナーゼ

ゼリーとなる。ペクチナーゼはペクチンを加水分解

タンニンは広く植物界に存在し、多くのフェノール

して低分子化する酵素で、Aspergillus や Rhizopus

性水酸基をもつ構造の芳香族化合物の総称で、一定のなどのカビから生産された酵素が、欧米では 1920 年

化合物ではない。収斂性の味をもつ。タンナーゼはこ代から果汁やワインの清澄化に使用された。我が国

れらの化合物を加水分解する。たとえば次のような反では三共社での開発が比較的早く、ブドウ白腐病菌

応である。

（Coniothyrium diplodiella ）から高い活性をもつもタンニン類はカフェインやアミノ酸が存在するとのを選択して、｢ スクラーゼ S｣ として発売されている。

きに沈殿を生じる（クリームダウン）ので事前にタン

上のように、果汁、ワインの清澄化のほか、ミカンのナーゼで処理することによって防止することができる。

果皮の除去に使用されている。

Pennicillium や Rhizopus などのカビが生産する。三共社では早くから開発を始め、ブドウ酒、紅茶、果汁飲

8.2.9

ヘスペリジナーゼ料などへの応用が図られている。ポッカコーポレーショ

ミカン等に含まれる配糖体の一種がヘスペリジンでン社では缶入り紅茶の工業化に最初に成功している。

ある。ヘスペリジンを分解する酵素がヘスペリジナー
ゼで、ミカン缶詰の白濁の防止に使用される。

A. niger （黒コウジ菌）などのカビが生産する酵素である。
8.2.10アントシアナーゼ

植物の花や果皮に存在して赤や青の色を示す配糖体

図 8.11タンナーゼによるご没食子酸の分解反応がアントシアニンで、この物質を分解する酵素がアントシアナーゼである。桃の果汁やブドウ果汁の脱色に使用される。

A. oryzae, A. niger などのカビが生産する酵素である。

8.3 タンパク質関連酵素
8.3.1

プロテアーゼ（タンパク質分解酵素）

タンパク質を分解する酵素はプロテアーゼ、ペプチ
8.2.11

リゾチームは細菌の細胞壁中の N- アセチルグルコサ

こではプロテアーゼとして扱うことにする。動植物おミンと N- アセチルムラミン酸のβ -1,4 結合を加水分解

よび微生物由来のプロテアーゼが多数知られ、また特する酵素である。食肉加工品の防腐、医薬、さらに実験性から構造まで明らかにされているものも多数に及ん

用に細菌の溶解用に使用される。卵白から調製される。

でいる。

8.2.12160

リゾチーム

ドを分解する酵素はペプチダーゼと呼ばれている。こキシラナーゼ

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（1） プロテアーゼ（ペプチダーゼ）の由来

成分を抽出する方法があり、両方にプロテアーゼが利プ ロ テ ア ー ゼ の 種 類 は 多 く、 た い て い の 微 生 物

用されている。

はプロテアーゼを生産するので、これらの中から、前者は HAP（hydrolyzed animal proteins: 動物タ

生 産 量 が 多 い も の、あるいは特徴のある機能 を もンパク質加水分解物）、HVP（hydrolyzed vegetable

つ も の が 選 ば れ て有効に活用されている。麹 カ ビ

proteins: 植物タンパク質加水分解物）と呼ばれ、以（A. oryzae ） は清酒や醤油の醸造に使用されている

前は塩酸による分解が行われていたが、塩酸法では原と お り、 高 い プ ロ テ ア ー ゼ 活 性 を も つ。 そ の ほ か

料の風味が失われやすい上に、生成するアミノ酸の内、Bacillus licheniformis , B. amyloliquefaciens などの細トリプトファンやメチオニンのように塩酸で分解され菌類、放線菌類も高い活性を持っている。植物由来のるものがあるので、酵素法に置き換えられてきている。

酵素ではパパイヤの実から得られるパパイン、パイ

ただ、プロテアーゼの種類によっては苦味が生じるもナップルから得られるブロメラインが有名であるし、のがあるので、種類をよく吟味する必要がある。一般

さらに動物由来の酵素では胃液のペプシン、膵臓のト

的には Bacillus 属細菌由来のプロテアーゼは苦味がリプシン、キモトリププシンがよく知られている。さ生じる傾向があり、カビのものは少ないと言われていらに若い反芻動物の胃から得られるキモシンはチーズる。後者（抽出法）では肉エキス、ハマグリエキスなの製造に使用されている。

どの風味成分がプロテアーゼの利用によって効率よく抽出される。

（2） プロテアーゼ（ペプチダーゼ）の利用
プロテアーゼは基本的にはタンパク質のペプチド結合を加水分解してペプチドあるいはアミノ酸を生成する反応である（図 8.12）。

2） 洗剤用アルカリプロテアーゼ
1960 年代にプロテアーゼがタンパク質性の汚れを分解する効果があることが証明された。洗剤にこの酵素を添加する方法が開始され、多くの企業がプロテ

R1

R2

R3

R4

R5

R6

HN C

CO HN CCO HN CCO HN CCO HN CCO HN C

H

H

H

H

H

H

アーゼの生産を始めた。しかし、酵素の粉塵がアレル
CO

タンパク質

ギーの原因となることが示されて、多くの企業の計画は頓挫せざるを得なかった。ここに登場したのが酵素

ペプチドの顆粒化技術であり、これによって洗剤用酵素の生産

プロテアーゼは一挙に増加をたどることとなり、酵素製品の中で最
R1
H2N C

R2
COOH

R3

R4

R5

+ H2N C COOH + H2N C COOH + H2N C COOH + H2N C COOH

H

H

図 8.12

H

H

アミノ酸

H

プロテアーゼによるタンパク質の加水分解：矢印で示した箇所で加水分解が起こりやすいことを示す。
矢印で示した箇所で加水分解が起こりやすいことを示す。起こる
起こるかどうかは酵素の基質特異性で決まる。

かどうかは酵素の基質特異性で決まる。

も大きな比重を占めるまでに成長することになった。
洗剤用酵素として、プロテアーゼが最初に活用されたが、後にセルラーゼやリパーゼ、アミラーゼなども活用されることになった。
洗剤用酵素にはどのような条件が必要かを見る前に、洗剤はどのような成分から構成されているかを見この酵素は応用範囲が広く、以下に示すような用途てみる。一般的には界面活性剤、キレートビルダー、に使用されている。食品の製造や加工分野では、動物

アルカリビルダー、蛍光増白剤、および漂白剤である。

および植物タンパク質を原料とする調味料の製造、食界面活性剤は洗剤の中心的な働きをし、界面張力の低肉の軟化剤、カゼインを原料とするチーズの製造など

下、可溶化、分散化などの作用で汚れを除く働きがあがあり、一方プロテアーゼのタンパク質分解の逆反応

る。アルキルベンゼンスルフォン酸塩、アルキル硫酸を利用したペプチド合成に活用されている。医薬品の塩などが使われる。キレートビルダーは水に溶けてい分野では消化剤、抗炎症・去痰剤など、さらに大きなるカルシウムなど、ミネラルの硬度成分を捕捉して洗用途は洗剤用酵素である。そのほかには皮革製造の処浄効果を高める働きがある。クエン酸塩、ゼオライト

理工程にも使用されている。これらを以下に記す。

などが使われる。アルカリビルダーは粒状形成剤で炭酸塩やケイ酸塩が使われる。蛍光増白剤のほか、漂白

1） 調味料の製造剤として次亜塩素酸ソーダなどが加えられる。

天然物を原料として味と風味を向上させる調味料がこのような混合物の中で酵素が力を発揮するには、

プロテアーゼの活用で製造されている。タンパク質を界面活性剤、キレートビルダー、蛍光増白剤、漂白剤

分解する方法と、魚介類、肉類、野菜類を原料としてなどの影響がないか、あっても最小のもの、さらに酵素の生産と利用技術の系統化

161

ｐ H はアルカリ条件下、温度は冬場の比較的低温でプロテアーゼ（ムコールレンネット）の安全性は我がも活性が認められることである。

国の厚生省や FDA でも確認され、2000 年の世界のチー

このような条件を備えたアルカリプロテアー

ズ生産の約 7 割が微生物の酵素で賄われていると言わ

ゼ が ノ ボ ノ ル デ イ ス ク 社 で 開 発 さ れ た。Bacillus

れている。 この酵素の発見によって世界では数百万

licheniformis が生産するズブチリシン Carlsberg と頭の子羊（あるいは子牛）の生命を救ったとも言われ呼ばれているプロテアーゼである。この酵素は pH5ている。有馬はこれらの業績で 1983 年に国際的な第～ 11 で活性を示すが、のちにさらに高い pH で活性

一回バイオテクノロジー賞を受賞している。

を示すもの、
低温で活性を示すものが開発されている。

一方、遺伝子工学的なアプローチで子牛の凝乳プ

またこの酵素は構造と機能の相関性が最もよく解析さロテアーゼを大腸菌に生産させる方法も成功していれている酵素で、6.2.3 にも記したが、B. clausii 由来る４）。つまり、凝乳プロテアーゼ（キモシン）の前駆の酵素タンパク質の中の 222 番目のメチオニンが漂白体であるプロキモシンの mRNA を第 4 胃の粘膜から剤によって酸化されやすいことが示された。このこと

取って精製し、これを鋳型として逆転写酵素によっては漂白剤による酵素の失活が起こりやすいことを意味

プロキモシンの相補的な DNA を合成してプラスミド

しているわけで、したがって最近ノボザイム社ではタに組換えて大腸菌に導入し、大腸菌でのプロキモシン

ンパク質工学技術によってメチオニン残基をアラニンの生産に成功したものである。この研究ではヒトなどやセリン残基に置換することによって漂白剤に対するの真核生物の遺伝子の発現を、大腸菌などの原核生物

安定性が格段に向上した酵素が造成され、商品化されのそれに適合させて強力な発現システムを構築して、ている。そのほか各社各様のプロテアーゼが販売され大腸菌の菌体タンパク質の 20% に相当する量の生産ている。これらの酵素は菌体外酵素として培地中に蓄を達成している。ただこのタンパク質は封入体とよば積されるので、通常の通気攪拌培養により、また単離・れる顆粒状の変性タンパク質の形体をしているため、精製も常法によって行われている。

変性剤たとえば、8M の尿素などで可溶化して、つぎに透析で除くような処理をする操作が必要である（こ3） 食肉軟化剤のような操作はタンパク質の refolding（巻きもどし）

品質の落ちる硬い肉類の軟化剤として、植物由来のと呼ばれている）。プロキモシンの N 末端に存在す

プロテアーゼであるブロメラインやパパインが使われる 44 残基のアミノ酸は酸性領域で自触的にのぞかれ、ている。この酵素の利用によって、肉全体が分解されキモシンに変換される。これらの業績をあげた別府輝てしまうので、肉の硬さの原因である筋を特異的に分彦は学士院賞を受賞している。

解する酵素の探索も行われている。

このような技術によって得られた、いわゆる組換え体キモシンは 1990 年にアメリカの FDA によって

4） チーズの製造／キモシン

GRAS（generally regarded as safe）物質として認可

チーズの製造の概略は、原料の牛乳に乳酸菌のスされた。根拠としてこのキモシン活性体が子牛から得ターターを加えて乳酸発酵を行い、その後キモシンとられるレンネットのものと同一であること、含まれ呼ばれる凝乳酵素を加えて固めるというものである。

る不純物には違いがあるが使用に際して安全性には問

酵素利用という視点から重要なプロセスは凝乳酵素の題がないことが挙げられている。アメリカではファイ添加の工程である。凝乳酵素は子牛、子羊の第 4 胃かザー（Pfizer）社、ヨーロッパではギストプロカーディ

ら得られるもので、以前はレンネットと呼ばれていたス（Gist-Brocades）社などがマーケッテイングを行っものであるが、これを得るためにこれらの家畜を若ており、アメリカでは短時間のうちにシエアを拡大し

いうちに屠殺しなければならないが、これは経済的にたと言われている。日本やヨーロッパでは遺伝子工学

はかなり生産性の低いことをしていることになる。しについての社会的な受容性がないという状況がある一たがって、この酵素を微生物の世界にもとめてスク方、動物愛護や宗教的な理由、あるいは菜食主義者か

リーニングに成功した人がいた。東大の有馬 啓、名らは支持されるという状況にあるようで、今後どのよ

糖産業社の岩崎伸二郎で、凝乳酵素を生産するケカ

うな展開があるのか興味深いところである。

ビ Mucor pusillus （現在は Rhizomucor pusillus ）を
３）

162

キモシンによる凝乳のメカニズムも明らかにされて発見した 。引き続いて R. miehei や Cryphonectori

いる。牛乳タンパク質のカゼインのうちκ（カッパ）aparasitica などの有力な凝乳プロテアーゼ生産株が－カゼインの Phe115 と Met116 の間のペプチド結合

ほかの研究者によって見つけられた。ムコールの凝乳を選択的に切断し、主タンパク質であるω（オメガ）

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May6） 消炎・喀痰喀出剤－カゼインの凝集を引起こすとされている。

プロテアーゼが消炎・喀痰喀出効果を示す医薬品と
5） プロテアーゼを用いるアスパルテームの合成して開発された。動物の膵臓から分泌されるトリプシ

プロテアーゼの反応は圧倒的にタンパク質の分解のン、キモトリプシン、パイナップルから得られるブロ方向に傾斜しているが、基礎的な実験室レベルの研究

メライン、放線菌由来のプロナーゼなどが医薬品としでは、反応条件を選べば逆反応が可能で、ペプチドのて使用されている。一方、武田薬品社では、カイコの合成に利用できることが示されていた。

腸から分離された細菌であるセラチア（Serratia sp.

アスパルテームはＬ－アスパラギン酸とＬ－フェE-15）が強い活性のプロテアーゼを生産することから、ニルアラニン・メチルエステル（L-Asp-L-Phe-OMe）

セラチオペプチダーゼと呼び、この酵素を消炎剤としからなるジペプチドで（図 8.13）、砂糖の約 200 倍ての開発を進めた。この酵素は亜鉛（Zn）を要求するの甘味を示す低カロリー甘味料である。味の素社と金属酵素で、強いプロテアーゼ活性による消炎とともニュートラスイート社の共同開発製品で、安全性デーに、シャープな喀痰効果を示した。一方、体内では他タも提出され、1981 年にはアメリカの FDA、1983 年の酵素によって分解されず、さらに一般的なタンパクには我が国の厚生省から食品添加物の認可が得られ質が示す抗原抗体反応を示さないという大きな特徴がている。アスパルテームの製造は化学合成法で行わ明らかにされた。これは体内ではα 2- マクログロブ

5）

れているが、酵素法による生産が報告された 。こリンと複合体を形成して抗原性をマスクされた形で活の合成反応に用いられた酵素は好熱性細菌 Bacillus

性を発揮しているためである。セラチオペプチダーゼ

thermoproteolyticus が生産する耐熱性プロテアーゼを主成分とする武田薬品社の「ダーゼン」は 1998 年であるサーモライシンが選ばれ、図 8.13 に示す反応には 100 億円の商品となったと言われている６）。特許

によって z（ベンジルオキシカルボニル）-L-Asp-L-

期限が切れて競争が激しくなっているとも言われてい

Phe-OMe を合成し、保護基（z-）を除いてアスパルテー

る。そのほか、Asp. melleus が生産するアルカリプ

ムを得る方法である。サーモライシンは L 体のフェ

ロテアーゼ、St. griseus が生産するプロテアーゼな

ニルアラニン・メチルエステルにしか作用しないのどが消炎酵素剤として市販されている。

で D 体のものが未反応で残るが、この D 体は加熱などの処理によって化学的にラセミ化して DL 体が反応

7） 血栓溶解用酵素

系にリサイクルされ、この反応が繰り返されて最終的

i） ストレプトキナーゼに全量がアスパルテームに変換される。この方法によ

溶血連鎖球菌（Streptococcus 属細菌）が生産する

るアスパルテームの工業生産は東ソー社とオランダの血栓溶解酵素である。血栓とは血液内の細胞や血漿タ

DMS 社 の 合 弁 企 業 で あ る HSC（Holland Sweetener

ンパク質成分が血管系の中に沈着した状態のことで、Company）社がオランダで実施したが、現在は稼動

脳や心筋梗塞の症状を起こす原因とされているが、こしていない。

の血栓を溶解する酵素がプラスミンである。プラスミンはその前駆体であるプラスミノーゲンから生成する

COOCH3H+Z HN C COOH

が、ストレプトキナーゼ（および次の項に記すウロキ

H2N C HCH2CH2ナーゼ）は血液中のプラスミノーゲンの Arg-Val 間のCOOH
Z-L- アスパラギン酸

結合を切るプロテアーゼであって、プラスミンの生成

DL- フェニルアラニン
メチルエステル（化学的ラセミ化）

サーモライシンを促進する酵素である。ただ、ストレプトキナーゼはヒトにとっては異種タンパク質であるため抗原抗体反COOCH3HZ HN C CO HN C H

COOCH3

+

CH2

CH2

H2N C HCH2

COOH
Z-αｰアスパルテーム

D- フェニルアラニン
メチルエステル

応の可能性が高く、使用に制限があると言われている。
ii） ウロキナーゼ
ストレプトキナーゼと同様の血栓溶解作用があり、由来はヒトの尿である。ヒト由来であるため抗原抗体（化学的脱保護基）反応の心配はなく持田製薬社、ミドリ十字社（現H

COOCH3

H2N C CO HN C H
CH2

CH2

田

辺三菱製薬社）で製造販売されている。一方、ヒトの腎臓細胞の組織培養による生産法も確立された。ヒト

COOH
α- アスパルテーム

図 8.13 プ ロテアーゼ（サーモライシン）を用いるアス
パルテームの合成反応のウロキナーゼ遺伝子を E. coli で発現させる研究も行われている。

酵素の生産と利用技術の系統化

163

iii）ＴＰＡ（Tissue Plasminogen Activator、組織プ

アミノアシル転移酵素

ラスミノゲンアクテイベータ）
TPA は血管の内皮細胞で作られるプロテアーゼで、AA1 + AA2

血栓のプラスミノーゲンに作用してプラスミンに変換

AA2 + CH3OH

AA1

COOCH3（1）アミノアシル転移酵素

する血栓溶解剤である。アメリカのバイオベンチャー（ジェネンテック社）により遺伝子工学による製法が開

AA1

AA2

発され、
協和発酵社と田辺三菱製薬社から、それぞれ「ア
クテイバシン」「、グルトバ」の商品名で発売されている。

+ AA3

図 8.14AA1

COOCH3

AA2

AA3+ CH3OH（2）

エステル転移酵素によるペプチド合成反応

AA1: アミノ酸 1、AA2：アミノ酸 2、AA3：アミノ酸 3、AA1 − AA2：
AA1 と AA2 のジペプチド、AA1 − AA2 − AA3：AA1、AA2、AA3 から成るトリペプチドを示す。

8.3.2

ペプチド合成酵素

ペプチドとはひとつのα - アミノ酸のカルボキシル
アミノ酸リガーゼ

基と別のアミノ酸のアミノ基が脱水縮合してできるペプチド結合によって、２個以上のアミノ酸がつながっAA1 + AA2 + ATPた化合物である。ペプチドにはホルモンなど、いろい

AA1AA2 + AA2

AA1 + ADP + Pi

図 8.15 アミノ酸リガーゼによるペプチド合成反応

ろな生理活性作用が見出され、医薬品などとして注目されている。
その従来の製法は化学合成法による調製、あるいはタンパク質の酵素分解物からの分離によって

8.3.3

行われていた。化学合成法では、ペプチド結合を形成（1） トランスグルタミナーゼする時に、アミノ基、あるいはカルボキシル基に保護

京大の千葉英雄によって哺乳動物のタンパク質の架基を導入したり、保護基をはずす操作が必要で、この橋形成反応を触媒する酵素としてトランスグルタミ

煩雑さのため大量調製が難しく、またタンパク質の酵ナーゼが指摘されていた。マウスの膵臓から抽出され素分解物からの分離法では望みの成分は容易にえられたこの酵素はカゼインやスキムミルクに作用させる

ないため、いずれも実用的なプロセスとはならなかっとゼラチンのようにゲル化されることがわかり、味た。最近味の素社と協和発酵社から、いずれも酵素法の素社は天野エンザイム社との共同研究で、酵素生による製法が報告された。

産を微生物界にもとめ、生産株として放線菌である

前者は Empedobacter brevis などのバクテリアかStreptoverticillium mobaranense の分離に成功したら得られるアミノアシル転移酵素を用いて、アミノ

９）酸 メ チ ル エ ス テ ル（AA1-COOCH3） に 別 の 遊 離 の ア

生産されている。この酵素は予想されたとおり、食品

ミノ酸（AA2）を結合させるものである（反応式１）。

の組織に弾力性と硬さを与え、耐熱、耐酸、耐水など

同様に第 3、あるいは第 4 のアミノ酸も順次結合させの性質を付与して食品タンパク質の向上に効果があることができる（反応式 2）７）。このようにいろいろ

り、畜肉、水産物、麺類、パンなどの加工に広く応用のアミノ酸組成をもつペプチドが作れる新しい技術とされている。製品は「アクテイバ」の商品名で販売さして注目されている。輸液の成分として活用されるジれている。

ペプチドが工業生産されている。
一方、後者は遊離のアミノ酸にエネルギーとしてATP を関与させるリガーゼによる反応で、次のよう
８）。この酵素は菌体外酵素で、通常の通気攪拌培養でこ の ほ か 生 産 株 は Streptomyces な ど の 放 線 菌、Bacillus などの細菌でも見出されており、遺伝子工学の技術で E. coli での生産も証明されている。

な反応式でペプチドが生成する が、アミノ酸の正逆

トランスグルタミナーゼによる反応システムは図

２通りの組み合わせができる可能性があり、収率が悪

8.16 に示すように、タンパク質の中のグルタミン残基

くなるのかも知れない。

のγ - カルボキシアミドと、同じくタンパク質のリジン

これらの技術開発によってペプチドの生産が可能になったことは、無限のアミノ酸の組み合わせの中から期待される機能を持つペプチドが得られる可能性が大きくなったわけで、将来的には大きなマーケットが開拓される可能性を示している。

164

タンパク質の架橋酵素

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.Mayのε - アミノ基の間で架橋が形成されたものである。

8.4.1

ア ミノアシラーゼによる DL- アミノ酸からのL- アミノ酸の生産

アミノ酸の製法のうち、発酵法によって得られるアミノ酸は L- 体であるのに対して、上記のとおり
化学合成法によって得られるものは DL- 体であるため、L- 体に変換しなければならないが、これがなかなか厄介な操作である。そこで工夫された方法が以下に示す方法（図 8.17）で、DL- アミノ酸から比較的簡単に合成して得られる N- アシルー DL- アミノ酸に
図 8.16

 ランスグルタミナーゼによるタンパク質の架ト
橋形成反応

Aspergillus oryzae などのカビから得られるアミノアシラーゼを作用させる。この反応では、アミノアシラーゼは L- 体にしか作用しないので D- 体はそのまま

8.4 アミノ酸関連酵素

未反応で残存する。これを加熱して化学的にラセミ化

アミノ酸は分子内にアミノ基とカルボキシル基をも酸に変換する方法である。アミノアシラーゼは DEAE-

つ化合物の総称であり、一般的にはタンパク質の構成

Sephadex にイオン結合させて固定化したものが使用成分であるα炭素にアミノ基をもつα - アミノ酸を指された。なお、この方法は発酵法が確立される以前、し、 構 造 式 は R-CH（NH2）-COOH で 示 さ れ る。R の化学合成法が盛んに研究されていたころに確立された違いによって 20 種類のタンパク性のアミノ酸が存在もので、医薬用など L- 体アミノ酸が要求されるアミする。よく知られているように、これらのタンパク性ノ酸の生産に活用されたが、大部分の L- 体アミノ酸の天然型のアミノ酸は L- 体であり、発酵法で生産さが発酵法で生産されるようになった現在では、タンパ

れるアミノ酸は L- 体であるが、化学合成されたアミク質構成アミノ酸としては L- メチオニンだけがこのノ酸は DL- 体である。このため通常の用途、特に医方法で作られている。なお、非天然型アミノ酸の光学薬用に使用するものは L- 体が要求されるので、化学誘導体の生産にはこの方法が使われている。田辺製薬

合成されたものは L- 体に変換する必要がある。この（現田辺三菱製薬）社で開発された 10）。

して再び反応を繰り返し、最終的に全体を L- アミノ

操作は光学分割と呼ばれている。
アミノアシラーゼ（化学合成）

アミノ酸はうま味調味料（グルタミン酸ナトリウ

R

ム）、医薬品（アミノ酸輸液、栄養剤）、飼料添加物（リR

ジン、スレオニン、トリプトファン）、サプリメント、
界面活性剤（N- アシル - グルタミン酸）など多方面で

H ー C－COOH

R

H ー C－COOH+

CH3COOHNH2

NH2

H ー C－COOH
HN ー COCH3

DL- アミノ酸

酢酸

L- アミノ酸
R

N- アシル -DL- アミノ酸

活用されている。

H ー C－COOH+

CH3 ー COOH

HN ー COCH3

アミノ酸の製造と利用技術は日本で生まれたオリジ

N- アシル -D- アミノ酸

ナル技術であり、いずれの面でも世界をリードしている。製法は発酵法が中心となっているが、タンパク質（化学的ラセミ化）の加水分解法、化学合成法も行われている。これらの方法の上に、さらに酵素法がこれも日本の技術で確立された。背景にはアミノ酸というターゲットがあり、このためにいかにして有利な製法開発を行うかという
明確な意志がこのような技術成果を生み出したもので

図 8.17

ア ミノアシラーゼを用いる DL- アミノ酸の L- ア
ミノ酸への変換反応

8.4.2 アスパルターゼによる L- アスパラギン酸の生産ある。このことは 1 章の「はじめに」に記したとおり、

アスパラギン酸はアミノ酸輸液や栄養剤のほかに、微生物の応用技術と酵素の生産とはほとんど並行して合成甘味料であるアスパルテームの原料としての大き進展してきたことの証明でもある。酵素法と呼ばれるな需要のあるアミノ酸であるが、この製造は酵素法でものに以下の方法がある。

行われている。田辺製薬社では、石油化学製品から比較的安価に製造されるフマール酸をアスパラギン酸に変換する酵素アスパルターゼが大腸菌などで生産されることを見出し、フマール酸からの生産法を開発した。

酵素の生産と利用技術の系統化

165

反応式を図 8.18 に示す。アスパルターゼ、さらにア

秀明らはチロシンをβ位で分解する下記の反応（図スパルターゼを含む菌体はカラギーナンなどで固定化

8.19）を触媒する酵素、β - チロシナーゼ（フェノー

して連続的な反応でアスパラギン酸を製造する技術がルアンモニアリアーゼ）が Citrobacter intermedia

確立されている。この方法はバイオリアクターと呼ばや Erwinia herbicola などの細菌によって生産されれているが、実用生産でバイオリアクターを応用したることを見出した 11）。この酵素反応を解析し、この最初の例として評価されている 10）。

逆反応によってチロシンが 合成されること（図 8.20

この場合、酵素は菌体に含まれたものとして取り扱（2））、さらにこの酵素の基質特異性が広いため、フェわれるので、通常の粉末や結晶としての形態をとってノールに変えてピロカテコールを基質に使用すればいない。

DOPA が 合 成 で き る こ と（ 図 8.20（3））を見出して
DOPA の新しい合成法を完成したものである。この反応の工業化は 1992 年から味の素社で実施されている。
この場合も商品形態としてβ - チロシナーゼがあるのではなく、酵素は菌株の形で維持・保存されている。

図 8.18 酵 素法によるフマル酸からアスパラギン酸とアラニンの生成反応
図 8.19β - チロシナーゼによる L- チロシンの分解反応

図 8.20β - チロシナーゼによる L- チロシンと L- ジオキ
シフェニルアラニンの合成反応

8.4.3 ア スパラギン酸デカルボキシラーゼによる Lアラニンの生産
アラニンはアミノ酸輸液や栄養剤としての用途がある。アラニンは発酵法で容易に生産されるアミノ酸であるが、微生物の体内で簡単にラセミ化されるため、得られるものは DL- 体である。このため L- アラニンを得る方法はこの酵素法で行われている。田辺製薬社ではアスパラギン酸のβ位のカルボキシル基を脱炭酸する酵素、アスパラギン酸デカルボキシラーゼを生産す
る Pseudomonas dachunhae を分離し、この酵素（あるいは酵素を含む菌体）を上のアスパルターゼの場合と同様

8.4.5 DL-2- アミノチアゾリンｰ 4- カルボン酸ラセマーにカラギーナンなどで固定化することによってアスパ

ゼとヒドロラーゼおよび SCC ヒドロラーゼによ

ラギン酸から効率よく L- アラニンを生産するプロセス

る DL-ATC から L- システインの合成を開発することに成功した。実質的には、このプロセス

L- システインはアミノ酸輸液の成分、肝臓機能改はフマール酸→ L- アスパラギン酸→ L- アラニンと連続

善剤、色素沈着抑制剤、パンの発酵助剤、またこのアするフローであるから、L- アラニンもフマール酸を原

セチル誘導体は去痰剤の原料となるなど多くの用途で10）料にして製造されているということである （図 8.18）。

活用されるアミノ酸である。この製造はシステインの含量の高い原料である毛髪やケラチンを塩酸で加水分

8.4.4 β―チロシナーゼによる L- ジオキシフェニル
アラニンの合成

166

解して抽出する方法で行われている。一方、化学合成法によるシステインの中間体である DL-2- アミノ

L- ジオキシフェニルアラニン（以下 DOPA）は脳のチアゾリンｰ 4- カルボン酸（DL-ATC）を微生物の酵

神経機能を調節するドーパミンなどの一連の化合物の素を用いて不斉加水分解して L- システインを得る方

前駆体アミノ酸で、パーキンソン病などの老人性脳神法が味の素社で開発された 12）。得られた酵素生産株、経障害にすぐれた効果を示す医薬品である。微生物のPseudomonas thiazolinophilum は DL-ATC を唯一の N

生命活動とは無関係のアミノ酸であるため直接発酵法

源として利用して生育できる菌株としてスクリーニン

で生産させることは不可能であるが、微生物の酵素をグされたもので、図 8.21 に示す反応で L- システイン用いる合成法が開発された。京大の熊谷英彦、山田を生成しているが、この反応を触媒する ATC ラセマー

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

ゼと ATC ヒドロラーゼおよび SCC ヒドロラーゼを持つ

テムで DHPG の工業生産がシンガポールの工場で行わと推定されている。この酵素反応の工業化は 1982 年

れている。
合成反応の経路を図 8.23 に示す。

から味の素社で行われている。
（図 8.21）

ATC ラセマーゼ

ATC ヒドロラーゼ（化学合成）SCC ヒドロラーゼ

CH2 CH COOH

CH2 CH COOH

CH2 CH COOH

CH2 CH COOH

S

S

S

SH

N

N

C

C

NH2
C O

NH2

NH2

NH2

DL-ATCL-ATC

図 8.21

8.4.6

NH2+ CO2 + NH3

HO

+ CHO

フェノール

COOH

HO

+ CO(NH2)2グリオキシル酸

CO

NH

CH

NH

CO

DL-p- ヒドロキシフェニルヒダントイン

尿素

固定化ヒダントイナーゼ

S- カルバモバイルｰL- システイン（L-SCC）

L- システイン

COOH

酵 素法による DL-ATC から L- システインの合成
反応

ヒダントイナーゼと D- カルバミラーゼを用い
る D-p - ヒドロキシフェニルグリシンの合成

D-p - ヒドロキシフェニルグリシン（DHPG）は天然

HO

COOH

CH

+ H2O

NH

CO

HO

D-N- カルバモイルー p ーヒドロキシフェニルグリシン

CH+ NH3 + CO2

NH2

NH2

D-p- ヒドロキシフェニルグリシン

固定化 D- カルバミラーゼ

D-p - ヒドロキシフェニルグリシンの合成反応経路

図 8.23のアミノ酸ではなく、半合成ペニシリンであるアモキ
シシリンを合成する時の修飾剤として開発された D-

8.4.7 DL- α - アミノ - ε - カプロラクタムラセマー

体アミノ酸である。アモキシシリンの構造式を図 8.22

ゼとヒドロラーゼを用いる L- リジンの合成に示す。アモキシシリンはペニシリン骨格である 6-

飼料添加物や医薬用に用いられるリジンは動物の栄

アミノペニシラン酸の 6 位のアミノ基に DHPG を導入

養に必須のアミノ酸の１つであり、現在、日本の技術して合成される。DL- 体の 5- 位置換ヒダントインはによる発酵法で、フランス、アメリカ、ブラジル、タ

アミノ酸化学合成法の中間体で、これを基質としてイ、中国など世界で年間約 80 万トン生産されている

D- 体アミノ酸を特異的に生成する酵素、すなわちヒ大型製品となったが、酵素法による生産も 1980 年代

ダントイナーゼを生産する微生物が京大山田秀明らにに一時行われた。

よってスクリーニングされた

13）

東レ社では、ナイロンの原料である DL- αｰアミノ

。

S
HO

CH CO

HN C C
C N

NH2
図 8.22–ε– カプロラクタム（以下 ACL）から酵素法によっ
3
C CH
CH3
C COOHO

アモキシシリンの構造式て L- リジンを製造するシステムを開発した 1４）。反応
系は図 8.24 に示すように ACL ラセマーゼを生産する
細 菌 Achromobacter obae と ACL ヒ ド ロ ラ ー ゼ を 生産する酵母菌 Cryptococcus laurentii を選択し、この２つの酵素の組み合わせによって DL-ACL をほぼ定

DL-5-（p - ヒ ド ロ キ シ フ ェ ニ ル ） ヒ ダ ン ト イ ン

量的に L- リジンに変換する方法である。この方法はを D-N- カルバモイルｰ p - ヒドロキシフェニルグリ

宝酒造社と共同で一時工業化されたが現在は行われてシンに変換するヒダントイナーゼの高い活性をもついない。最終的には立地条件や原料の問題、さらに政Pseudomonas putida が選ばれた。次にこの技術を導入

策的な判断もあったと推定されるが、トータルとしてしたカネカ社では、D-N- カルバモイルｰ p - ヒドロキシのコスト競争力で発酵法に対抗できなかったためであ

フェニルグリシンを D-p - ヒドロキシフェニルグリシ

る。現時点で工業化は実現できなかったが技術的に新ンに変換する酵素、D- カルバミラーゼ、をもつ細菌でしいので紹介した。

ある Agrobacterium

sp. をスクリーニングし、この細菌の遺伝子を大腸菌のシステムで発現させ、従来はACL ラセラーゼ

ACL ヒドロラーゼ

亜硝酸処理による化学的な方法で行って、副生物が多

H O

H O

く収率のよくなかった脱カルバモイルの反応を酵素法

N C NH2N C NH2

DL-ACL

L-ACL

H2 O

+ H2O

N C OH NH2に切り変えることに成功した。さらにタンパク質工学的な手法で耐熱性が高く、かつ安定性の高い酵素に改良して、固定化した 2 つの酵素、ヒダントイナーゼとD- カルバミラーゼ、を用いるバイオリアクターシス

図 8.24L- リジン

酵素法による DL- α - アミノ - ε - カプロラクタ
ムからの L- リジン合成経路

酵素の生産と利用技術の系統化

167

8.4.8

アスパラギナーゼであったところがユニークである。つまり、実用的なアスパラギナーゼはアスパラギンをアスパラギン酸とアンモニアに分解する酵素である

目的から研究がスタートしたわけである。昆布のうま味成分が池田菊苗によって MSG であることが証明さ

反応式を図 8.25 に示す。1960 年代にモルモット血れ、実用生産が始められた数年後の 1913 年に、鰹節

清中のアスパラギナーゼが急性リンパ性白血病に効果のうま味成分がイノシン酸であることがに小玉によっがあることが証明された。この作用メカニズムは急性て明らかにされた。しかしながら、その生産について

リンパ性白血病の腫瘍細胞がアスパラギンを合成出来はまったく手つかずの状態であった。核酸に関する知ないため、血液中のアスパラギンを分解してその供給

見、情報がなかった時代としては当然のことである。

を断つことによって腫瘍細胞の増殖を阻止すること

約 40 年後の昭和 30（1955）年頃にヤマサ醤油社の國である。協和発酵社では大腸菌 B 株から得られたア

中明らは、酵母菌の核酸（RNA）を酵素で分解してスパラギナーゼ高生産株を、L- グルタミン酸、L- メ

イノシン酸を生産する方法を開発した 15）。有名なワチオニン、乳酸、コーンステイープリカーなどを含む

トソン＆クリック（J. Watson & F. Crick）の DNA培地で培養し、菌体から抽出した酵素をクロマトグラのラセン構造が発表されたのが 1953 年であり、核酸

フィーなどで精製して結晶化して抗白血病薬として製という用語がまだ一般化していない時代である。さら品化した。しかし、得られた酵素は、人にとっては異に、この研究からはイノシン酸ばかりではなくグアニ

種タンパク質であるためアレルギー反応を起こす可能

ル酸にも呈味性があること、これらと MSG とは強い性が高いので、この反応を減らすためポリエチレング

味の相乗効果を示すという重要な発見がなされ、複合リコール（PEG） で化学的に修飾した PEG- アスパラ

調味料の実用生産という大きな実績を残すとともに、ギナーゼも製品化されている。

この研究から多くの新しいインパクトのある事実が明らかにされてきた重要なものであった。國中はこれらの成果によって学士院賞を受賞している。
核酸に関連する酵素で有効に活用されているものを大まかに分類すると① RNA を分解してヌクレオチドやヌクレオシド、あるいは塩基を生産するもの②ヌクレオシドの糖を他の糖に変換するもの

図 8.25 ア スパラギナーゼによるアスパラギンの分解反応

8.4.9 グルタミナーゼ③イノシン、
グアノシンのようなヌクレオシドをリン酸化してイノシン酸、およびグアニル酸のようなヌクレオチドに変換するもの

グルタミンをグルタミン酸に変換する酵素である。

④ DNA を特定の位置で切断する制限酵素、DNA をタンパク質を分解して得られる分解液にはグルタミン

合成するポリメラーゼや逆転写酵素など遺伝子工酸とほぼ同じ量のグルタミンが存在するが、グルタミ

学技術の操作に使用されるものである。

ンには呈味性がない。グルタミナーゼを作用させてこ①で得られたヌクレオチドは上記のうま味調味料の材

れを呈味性のあるグルタミン酸に変換できればグルタ料として使用された。

ミン酸含量の高い分解液が得られる。醤油醸造用の②で得られるヌクレオシドは制がん剤や抗ウイルス剤

カビのグルタミナーゼを高める工夫や、酵素分解液などの医薬品、あるいはこれを原料として誘導体がをグルタミナーゼで処理する方法が試みられている。

合成されている。③に属するものはイノシン酸、おこの酵素の生産株は Aspergillus sojae などのカビ、

よびグアニル酸の実用生産に使用されている。④に

B. subtilis などの細菌などである。

属するものは、いわゆる研究用の試薬で、これらの酵素は DNA の切断や合成などに使用され、機能と168

8.5 核酸関連化合物に関する酵素

性質はまったく異なるものであるが、遺伝子工学技

核 酸 と 言 え ば 通 常 は DNA と RNA を 指 し て い る。

ここに記すことにした。呼び方は研究用酵素とは言核酸に関連する酵素の研究開発は日本で大きな進展がわれているが、すでに産業として実用化あるいは工見られたが、そのきっかけとなったものが調味料とし業化されているものが多数に上っており、これらのてのグルタミン酸ナトリウム（MSG）の事業の成功

酵素は小さな効果で莫大な威力を発揮している。

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May術という操作に使用されるということで、一括して

8.5.1

ヌクレアーゼ P1（ホスホジエステラーゼ）

前記のとおり、ヤマサ醤油社の國中らはPenicillium

RNA を分解してヌクレオチド（アデニル酸 , グアニ

citrinum から、武田薬品社の緒方らは Streptomyces

ル酸 , シチジル酸 , ウリジル酸）を生成する酵素であ

aureusる。この酵素は上に記した通り、イノシン酸の製造をら得られる RNA に上記の酵素を作用させ、この分解生目的にして開発された酵素である。やや前後するが、成物 5’- アデニル酸、5’- グアニル酸、5’- シチ

核酸系物質が呈味性を示すには、化学構造の上から３

ジル酸、5’- ウリジル酸の中から、5’- アデニル酸

つの条件があることが示されていた。１）骨格がプリ

は麹菌から得られる AMP デアミナーゼで処理して（S.

ン環であること、２）プリン環の６位の炭素に水酸基

aureus はもともとこの酵素を持っているのでこの処をもつこと、３）リボースの５’の水酸基にリン酸基

理操作は無用）イノシン酸、とグアニル酸を製造するをもつことである。イノシン酸には図 8.26 に示すよ技術を確立した。副生するシチジル酸とウリジル酸は、

うに、リボースの 2’、3’、5’の位置にリン酸基をも当時は無用の生産物であったが後に用途開発が行われつ３つの異性体が存在するが、これらのうち 2’、3’た。このようにして、前記のイノシン酸、グアニル酸には呈味性がなく、5’イノシン酸が呈味性発現の条と MSG との呈味性の相剰効果に基づきイノシン酸、グ件を満たしている。
（さらに、5’- グアニル酸もこのアニル酸と MSG を成分とする複合調味料がヤマサ醤油

条件に合っていることが確認された）。

社からは ｢ フレーブ ｣、武田薬品社からは ｢ いの一番がこの酵素を生産することを示し、酵母菌か｣ として 1961 年に発売された。味の素社からは当初
OH
N1
C

2

C
6
3

7

8

5C

N

CH

4

N

N

H2PO3 O H2C

N

OH

OH

C

C

C

N

C

N

CH

N

は煮干しからの抽出法、後に発酵法による製法を確立
C

N

C

N

C

5’

N

HO H2COCNHO H2C

O

C
C
C C

C
C
C C

HO HO

H2PO3 O HOHO H2PO3 O

5’- イノシン酸（イノシンｰ5’- リン酸）
呈味性アリ

3’- イノシン酸（イノシンｰ3’- リン酸）
呈味性ナシ

して ｢ ハイミー ｣ として発売された。
現在イノシン酸とグアニル酸の世界の生産量は約８O

C 4’ 1’C
3’
2’
C C

図 8.26CH

9C～９千トンに達したと推定されているが、現在の製法
は、発酵法によってイノシン、グアノシンを生産し、

2’- イノシン酸（イノシンｰ2’- リン酸）
呈味性ナシ

イノシン酸の３つの異性体と呈味性の関係

RNA を分解して目的のヌクレオチドを得るためには、タンパク質を酸で分解してグルタミン酸を得た、それぞれ酵素法または化学法でリン酸化して行うものであり、上に記した酵素による RNA 分解法は行われていない。しかし、酵素法は核酸生産の端緒を開き、さまざまな酵素技術の展開の可能性を示した歴史的な意
義は大きいので紹介した。

というような比較的単純なプロセスでは不可能で、タンパク質よりも複雑な RNA の構造に対応した“ソフト

8.5.2

イノシン、グアノシンをリン酸化する酵素タッチ”の操作が必要なのであった。こうして図 8.27

発酵法によるイノシン酸とグアニル酸の大量生産はに示す RNA の構造と対応する分解法を見ると、3’で成功していないが、リン酸のないヌクレオシド、つまりはなく、5’の位置にリン酸基を残して切断するといイノシンとグアノシンの大量生産が成功した。したがっう条件を満たさなければならなかった。酵素の基質特て、このイノシン、グアノシンを酵素法でリン酸化す異性が発揮される反応の例である。

る方法が最近確立された。このリン酸化に２つの酵素が応用されている。味の素社で開発されたホスファター

A

G

C

U

G

C

A

R
R
R
R
R
R
R
5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’
P

P

P

P

P

P

P

図 8.27 R
 NAの構造とヌクレアーゼ
P1 によるRNA の分
A: アデニン、G:
グアニン、C:
シトシン、U: ウラシル、R:
リボース、P:
リン酸
解

分解酵素が実線矢印（

ゼと協和発酵社で開発されたイノシンキナーゼである。
（1） ホスファターゼ
この酵素はリン酸基をもつ化合物に水が供与体となってリン酸を放出する酵素であるが、ピロリン酸）の箇所で切断すれば、5’の位置にリン酸をもつ 5’- ヌクレオチドがも供与体として認識できるのでリン酸化の反応を触A: アデニン、G: グアニン、C: シトシン、U: ウラシル、生成するが、点線矢印（）の箇所で切断すれば、3’の位置にリン酸をもつ 3’- ヌクレオチド

R: リボース、P: リン酸

媒することも可能である。味の素社ではイノシンのが生成する。呈味性をもつ 5’- グアニル酸、5’- イノシン酸を得るためには前者の活性をもるヌク
レアーゼ P1（5’- ホスジェステラーゼ）が必要であることを示す。

分解酵素が実線矢印（→）の箇所で切断すれば、3’- の位置にリン酸基をもつ 3’- ヌクレオチドが生成するが、点線矢印（ ）の箇所で切断すれば 5’- の位置にリン酸基をもつ 5’- ヌクレオチドが生成する。呈味性をもつ 5’- グアニル酸、5’- イノシン酸を得るためには後者の活性をもつヌクレアーゼ P1（５’- ホスホジエステラーゼ）が必要であることを示す。

5’位の水酸基に特異的にリン酸を導入して 5’- イノシン酸に変換する酵素の生産株として Morganella

morganii を選出した。しかしこのホスファターゼの本来の反応は 5’- イノシン酸を分解するものである
ため、改良が必要であった。そこで、この酵素をコー

酵素の生産と利用技術の系統化

169

ドする遺伝子を単離して、酵素タンパク質にランダムの構築を達成している（図 8.30）。この場合、グアニ

なアミノ酸置換を行ったところ、得られた新しい酵素

ル酸の細胞外への透過性を上げるために、界面活性剤（Gly92Asp, Ile171Thr）は逆反応が小さくなっているか溶媒が必要である。

ことがわかった。この遺伝子を E. coli で生産して分解反応の少ない酵素の構築とともに工業化にも成功しグアニル酸合成酵素たものである。
この酵素はイノシンだけではなく、グアノシンのリ

XMP

ン酸化も出来るので、イノシン酸、グアニル酸の実用

キサンチル酸生産に活用されている。反応式を図 8.28 に示した。

図 8.30グ アニル酸合成酵素によるキサンチル酸からのグアニル酸の生成反応

8.5.4

ヌクレオシドの糖を変換する酵素

改良ホスファターゼ
OH
N
C

C

N

HO CH2

OH
C

N

C

N

C

O

N

O

C

+ HO P O P OH
O

O

C
C
C C

C

N

C

N

C

N

HO

P
O

O

HO HO

ピロリン酸

+ AMP + ppi

グアニル酸

誘導体が本来の核酸のアナログとして働き、機能を阻

CH2

O
C
C
C C

害することによってガンやウイルスの増殖を阻害する

HO HO
イノシン
（またはグアノシン）

GMPして有用な化合物である。作用メカニズムはこれらの+ HO P OH
O

O

+ ATP

核酸の誘導体はしばしば抗ウイルス剤や抗ガン剤と

C

O

O

+ NH3

5’- イノシン酸（または 5’- グアニル酸）ことである。

リン酸

アデニンアラビノシド（Ara-A）は S. antibioticus

図 8.28 改
 良ホスファターゼを用いるイノシン（グアシン）のリン酸化による 5'- イノシン酸（5’- グアニル酸）の生成反応の培養液から見出されたヘルペス脳炎や帯状疱疹などのウイルス性疾患に有効な抗ウイルス剤であるが、発酵法では生産量が低く、化学合成と酵素法の組み合わ（2） イノシンキナーゼ

せで効率的な生産法が開発された。合成ルートを図

この酵素は ATP をリン酸の供与体としてイノシンに

8.31 に示す。すなわち、化学合成されたウラシルアラ

リン酸を導入して 5’- イノシン酸を生成する酵素でビノシドのアラビノースをアデニンに転移する酵素があるが、協和発酵社では E. coli の酵素の発現を高ウリジンホスホリラーゼ（UPase）とプリンヌクレオめ、Corynebacterium ammoniagenes のイノシン生産

シドホスホリラーゼ（PNPase）である。

と、同菌の ATP の再生系を組み合わせて 5’- イノシ
アデニンン酸の生産システムを確立した（図 8.29）
。ただ、実

O

用生産まで行われているかどうかは明らかではない。

HN
O

O

HN
O

N
O

HO

イノシンキナーゼ

O

HO
化学反応

O

N
Pi

O

NH2

HN
N
H

NH2
N

N
N

N
H

O

HO

N

N
Pi

N

N
O

HO
HO

HO

HO
P

OH

イノシン

5′- イノシン酸

OH

ウリジン

OH

OH

Ara U

OH

Ara1-PAra A
PNPase

UPase

ATP

ADP

図 8.29 イ ノシンキナーゼと ATP 再生系を利用したイノシンのリン酸化反応

図 8.31

酵素法によるアデニンアラビノシド（Ara-A）の合成経路

ジデオキシイノシン（DDI）は抗エイズ薬として使用されているが、DDI の合成ルートを図 8.32 に示す。
すなわち、ウリジンから化学合成されたジデオキシウ

8.5.3

170

グアニル酸合成酵素（GMP synthetase）

リジン（DDU）のジデオキシリボースをヒポキサンチ

この酵素は次の反応式にしたがって、ATP のエネルンに転移させて DDI を生産するものである。さらにギーを使って、キサンチル酸にアミノ基を導入してグ

アデノシンを化学的にジデオキシアデノシンに変換

アニル酸に変換する酵素である。

し、これを酵素で DDI に変換する改良法が開発されて

協和発酵社では C. ammoniagenes のグアニン要求

いる。Ara-A と DDI は味の素社で開発され工業化さ株を用いてキサンチル酸を作り、E. coli のグアニル酸

れている。酵素の高い生産株は前者は Enterobacter

合 成 酵 素 遺 伝 子 を 増 幅 し、C. ammoniagenes の ATP

aerogenes 、後者は E . coli

再生系を組み合わせてグアニル酸を製造するプロセス

用生産の反応は酵素生産菌体、あるいは固定化した菌

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.Mayから得られている。実制限酵素には反応に必要な成分の要求性などの違い体が用いられている。
ヒポキサンチン
O

O

HN

HN

O

HO

OH

HN

O

N
O

HO

O

O

N
Pi

O

N
N
H

N

N
H

N

N
Pi

O

HO

から、I-III のタイプが知られているが、遺伝子工学に

OH
N

N

N
HO

O

化学反応

この酵素には酵素の発見者スミス（H.O. Smith、1978 年のノーベル賞受賞者）らの提案で、独特の命POH使用されるのはタイプ II である。

OH

ウリジン

DDU

DDR1-PUPase
DDU 分解酵素

図 8.32DDI
PNPase
DDI 分解酵素酵素法によるジデオキシイシン
（DDI）
の合成経路

名法がとられている。制限酵素を生産する菌株の属名のイニシアル１字と種名のイニシアル２字をイタリック体で表し、さらに付随する性質などをナンバーで表示する。たとえば、Bacillus amyloliquefaciens H

8.5.5

遺伝子工学に関連する酵素株が生産する酵素は Bam HI、Escherichia coli RY13

遺伝子工学技術の生命科学とその応用技術に与えた株が生産する制限酵素は Eco RI である。表 8.3 には代インパクトは計り知れない大きさである。たとえば、表的ないくつかの制限酵素の生産株と認識する塩基配

この技術によって得られた成果の例として、ヒトを含列を示す。

めた生物のゲノム解析、ガン遺伝子の同定や解明、タ
表８.3 制限酵素の生産株と認識する塩基配列の例

ンパク質や酵素、ホルモンの生産や改良、遺伝子組換
え作物の創生などのように、非常に幅広い分野の研究の展開に活用され大きな成果が上げられているのは周知の通りである。
遺伝子工学技術を最も簡単に表現すれば、遺伝子
DNA の 調 製、 切 断、 単 離、 接 続、 塩 基 配 列 の 解 析、増幅などから得られた知見と情報を駆使した生命現象

制限酵素の基質特異性が極めて高いことが特徴であの解明と有用技術の開発や有用物質の生産、と言えるる。たとえば、Hin dIII で処理すると DNA は下のよだろう。これらの技術の大部分に酵素技術が関与してうに切断される。切断の結果、酵素によって一定の塩いる、まさに酵素技術の集合が遺伝子工学であると

基配列（-TCGA）をもつ一本鎖部分（粘着末端）がいっても過言ではない。関連する酵素類は多数にのぼできるので、同じ Hin dIII で切断した他の DNA の断り、また多岐にわたっているので、すべてを記すこと

片をここに当てはめることによって、そっくり挿入がは出来ないので、ここでは制限酵素、DNA の増幅に可能となり、さらにリン酸の結合を導入するリガーゼ

関する酵素、および逆転写酵素に限定して記載するこを働かせると、完全に DNA を組換えることができるとにする。詳細は要領よくまとめられた文献を参考と（図 8.33）。

してあげておく16）。

（1） 制限酵素
制限酵素は DNA を特定の位置を認識してこれを切断する酵素で、“DNA を切り出すハサミ”に例えて説明される。この発見は遺伝子工学誕生のきっかけとなっ

HindⅢ
・・・A

AGCTT・・・・

・・・・TTCGA

A・・・・

・・・A
・・・・TTCGA+

AGCTT・・・・
A・・・・

図８.33 制限酵素（Hin dIII）による DNA の切断た重要な酵素である。この酵素は細菌など、原核生物がもっている酵素で、自然界では外来の DNA の特定の塩基配列を認識して切断する。このことは自己の DNA

つまり組換え体 DNA であり、これが遺伝子工学技術の基本反応である（図 8.34 参照）。

への外来 DNA の侵入と混入を制限している、つまり、制限酵素の数は細菌の種類に対応した数が存在する

固有生物の“種”を保存するメカニズムと考えられる。

はずで、1998 年時点で報告されているものが 3,000 以

この制限が名前の由来である。ただ、自己の DNA にも上あり、そのうち遺伝子工学に使用されるものが約同じ配列があるはずで、これを切断しては都合が悪い

500、切断の配列が異なるもの 143 種が試薬メーカー

ので、きちんと防止する機構も備えている。メチラーから販売されている。

ゼという酵素をもち、その配列の中にあるシトシンとこの酵素は菌体内酵素なので、菌体を破砕して得ら

アデニン残基にメチル基を導入して分解されないようれた菌液から硫安沈澱法などでタンパク質を沈殿させに構造を変換しているのである。

て回収し、クロマトグラフィーを組み合わせて精製し酵素の生産と利用技術の系統化

171

は PCR によって増幅されているのである。
こ の DNA ポ リ メ ラ ー ゼ は DNA の 素 材 と な る ４ つのヌクレオチドと鋳型となる DNA およびプライマーと呼ばれるオリゴヌクレオチド、の存在下で DNA を合 成 す る が、PCR で は 生 成 す る DNA を 直 ち に 次 の合成反応に繰り返して使用し、指数函数的に DNA を増幅させる技術である。これを開発したマリス（K.
B. Mullis）は 1993 年にノーベル化学賞を受けている。
PCR のメカニズムを簡単に図 8.35 に説明する。

図 8.35
図 8.34

組換え DNA システムの概略図

PCR の原理

まずａ）では材料となる（微量の）鋳型となる 2 本鎖の DNA があり、次に（b）では、この DNA を含む溶液をて作る。また遺伝子工学の手法でタンパク質を増やし95℃に加温して 2 本鎖 DNA を２つの 1 本鎖 DNA に分離て生産性を高める方法が一般的に取られている。遺する。
（ｃ）次に溶液の温度を 50℃に下げてプライマー

伝子工学の技術が確立された当初には１ml にも満たなをそれぞれの 1 本鎖 DNA の 5‘の端に付ける（アニー

い量の制限酵素液が数万円もする高価なものであった

リング）。プライマーは何種類かを準備して、結果的にが、メーカーの努力によって格段に安く得られるようにマッチングするものが選ばれる。
（ｄ）次に溶液の温度なった。このように、現在では酵素自体の金額は大きなを 70℃に加温して DNA ポリメラーゼを働かせる。鋳型

ものではなく、また使用量もμ 1 レベルという微量であ

DNA の配列順序に対応してヌクレオチドが順次運ばれ、るため市場も大きくはないが、その波及効果の大きさを矢印の方向に重合してゆく。このようにして a →ｂ→考えると、酵素の威力の大きさに改めて驚かされる。
制限酵素で切断された DNA はどのように処理されｃ→ｄを１サイクルすることにより DNA は 2 倍になり、
ｎサイクルで２n となる。

るかを知るために、組換え DNA（＝遺伝子操作）の

実 際 の PCR の 操 作 は ① DNA ポ リ メ ラ ー ゼ、 ② 鋳システムを簡単に示す略図を図 8.34 に示した。

型 DNA, ③ プ ラ イ マ ー、 ④ dATP，dGTP，dCTP，
dTTP の ４ つ の ヌ ク レ オ チ ド、 ⑤ そ の 他 の 補 助 因（2） DNA ポリメラーゼ

子 を 混 合 し た 反 応 液 を 調 製 し て お い て、 温 度 をすなわち、デオキシ ATP，GTP，CTP および TTP を、相95 → 50 → 70 → 95℃に連続的に変えるだけで、DNAは２n 単位で増えるので、20-30 サイクルの運転で電方の 1 本鎖 DNA の配列に対応して重合して DNA を合成

気泳動によって検出できる量の DNA に増幅することする酵素である。この酵素の革命的な応用をもたらしができる。このシステムのポイントのひとつは、95℃たのが PCR（polymerase chain reaction、ポリメラーの高温に耐える耐熱性のポリメラーゼが使用されたこ

ゼ連鎖反応）である。PCR は広い分野で使用される重とである。75℃で生育できる Thermus aquaticus か

要な技術となった。たとえば、身近な例を上げれば、ら得られた Taq DNA ポリメラーゼである。

この酵素は DNA の４つの素材となるヌクレオチド、

172

犯罪捜査や遺跡などから得られる痕跡程度の微量の材

また、この理屈から、特定の変異を導入した遺伝子料から DNA 鑑定が行われるが、鑑定に使用される DNA

や、特定の制限酵素の認識部位を導入したような遺伝国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

子なども製作することも可能であり、極めて応用範囲

体培養が行われている。

の広い技術であることが理解されるであろう。この酵リパーゼの用途は油脂や乳製品の加工、消化薬、臨素も実験に使用される量はごく微量で、試薬として多床検査薬、また Humicola のリパーゼが遺伝子工学

くのメーカーから販売されているが、市場が大きな商的に Asp . oryzae で高生産され洗剤用として開発され品ではない。しかし、制限酵素の場合と同様に、このた。油の分解ではたとえば日本製紙社で行われている、酵素を使用して確立される技術や製品の規模を考える

パルプの樹脂（ピッチ）除去にリパーゼが活用されてと、酵素が果たしている役割が甚だ大きなものである

いる例などがある。

ことも理解されるであろう。

またリパーゼによる図 8.37 に示すような反応によってエステル交換が行われる。この反応の応用として、（3） 逆転写酵素

低い融点をもつ安価なヤシ油から、高い融点のチョコ

遺伝子の情報は DNA → RNA →タンパク質の流れで発レート用のカカオ油脂を作るプロセスが開発されてい現する、いわゆるセントラルドグマ、であるが、例外る。また、マグロ油に含まれるドコサヘキサエン酸がある。つまり、ウイルスの中には RNA ウイルスと呼（DHA：抗動脈硬化作用、抗高脂血症作用が知られてばれ、DNA ではなく RNA をゲノム遺伝子とするものがいる）の含量は 20-25% であるが、DHA を認識しにくある。これらのウイルスでは RNA を鋳型として DNA を

い Candida rugosa 由来のリパーゼで処理することに合成する、つまり RNA → DNA の流れが存在するわけでよって DHA 含量が 50% に向上した油脂が得られる。

ある。この RNA → DNA の反応を触媒する酵素が逆転写酵素である。
真核生物の遺伝子を得ようとする場合、ゲノムサイ
ズが大きくまた微量であるため直接採取することは非
常にむつかしく、また真核生物の DNA には転写されない領域（イントロン）が存在するので、転写される

図 8.37

リパーゼによるエステル交換反応

領域（エキソン）を、比較的調製が容易な RNA を採その他のリパーゼの利用として天然油脂の分解、フ取 し て、 逆 転 写 酵 素 を 使 用 し て cDNA（ 相 補 DNA）

レーバの改良、洗剤、臨床分析などがある。一方田辺を調製する方法がとられる。逆転写酵素はレトロウイ

製薬（現田辺三菱製薬）社では Serratia marcescens

ルス、マウス白血病ウイルス、好熱性細菌（Thermus

由来のリパーゼの特徴を生かして有機溶媒中の反応でthermophilus ）由来のものが市販されている。因みジルチアゼム「ヘルベッサー」の中間体の光学分割のに抗エイズウイルス薬であるアジドチミジン（AZT）

工程に活用されている。

やジデオキシイノシン（DDI）は逆転写酵素の阻害剤

8.7 セルラーゼである。

8.6 脂質関連酵素
8.6.1

リパーゼ

セルロースはグルコースがβ -1,4- グルコシド結合
でつながった天然の高分子化合物であり、この結合を切る酵素がセルラーゼである。3 つの切り方があり、リパーゼは脂肪を脂肪酸とグリセリンに分解する酵素である。反応式は図 8.36 に示す通りである。

両末端から順次加水分解してグルコースが 2 分子のセロビオースを生成するエキソセルラーゼ、グルコース
単位で切り出すβ - グルコシダーゼ、セルロース繊維の中ほどを切断してセロオリゴ糖を生成するエンドセ
ルラーゼである。同じグルコースの重合体でもα -1,4結合でつながったデンプン由来のアミロースは容易に分解されるのに対して、β -1,4 結合のセルロースは分

図 8.36

リパーゼによる脂肪の分解反応

リパーゼの生産株はAspergillus , Mucor , Rhizopus

解に相当な長時間を要する。図 8.38 には比較のためにセルロースとアミロースの構造式を示す。

属 な ど の カ ビ、Candida 属 の 酵 母 菌、Pseudomonasなどの細菌、など微生物界に広く分布している。カビによる生産はフスマ固体培養で、酵母菌や細菌では液酵素の生産と利用技術の系統化

173

り、組織の酵素活性の変化から診断する。
３） 酵素を用いて生体成分を測定する。
8.8.1

コレステロールオキシダーゼ

高脂血症の診断にコレステロールが測定される。図8.39 に示す反応式によって、（１）まずコレステロー
図 8.38アミロースとセルロースの化学構造

ルエステルをコレステロールエステラーゼで遊離のコレステロールとし、（２）コレステロールオキシダー酵素による糖化を主な目的としてセルラーゼの研ゼによってコレステロールを酸化し、（３）生成する

究は長年行われてきたが、セルラーゼによる天然のセ過酸化水素のパーオキシダーゼによる酸化によって還ルロース分解は未だ達成されていない。もっとも、も元型色素（4- アミノフェナジンなど）の酸化型色素（キしもセルロース分解が簡単に可能になれば、材木など

ノンイミン）への変換による吸光度の変化で測定する。

の木製品が簡単に壊れ、草木類は倒れ、文字通り自然この反応に使用されるコレステロールエステラーゼ

破壊につながる可能性が大きいわけで、“神様が創ら

は Pseudomonas fluorescens から、コレステロールオ

れた天然物が”簡単に壊されることはないのかも知れ

キシダーゼは Brevibacterium sterolicum や Nocardia

ない。セルロースの結晶構造を破壊するための強酸な

sp. から得られる。パーオキシダーゼはセイヨウワ

どによる前処理が必要とされている。セルラーゼは再サビから得られるが、最近、ヒトヨタケ属のキノコ

生可能な資源としてのバイオマスの活用には必須の酵（Coprinus cinereus ）のパーオキシダーゼ遺伝子を A.

素である。これまで糸状菌 Tricoderma viride , （T.

oryzae で発現させて生産した酵素（商品名カードザ

reesei ） などの生産するセルラーゼが主に使用されイム）も市販されている。

た。
一方セルラーゼの新たな用途の開発が行われた。その一つが洗剤用セルラーゼである。
ノボノルデイスク社による Humicola insolens 、花王
社の好アルカリBacillus sp. によるアルカリセルラーゼである。衣料の 9 割は木綿製品が占めるが、木綿の汚れは繊維の内部に侵入している。アルカリセルラーゼはこの領域に作用して分解し、汚れを放出して洗たく効果を高めると説明されている。洗剤用酵素の中ではセルラー

図 8.39酵素によるコレステロールの分解と定量反応

ゼの割合が最も大きくなった。
そのほかに、牧草にセルラーゼを添加することによって糖分が増え、乳酸発酵が進んでサイレージに品質が向上したり、ふすまにセルラーゼを添加することによっ

8.8.2

グルコースオキシダーゼ

血糖値の測定に使用される。詳細は 8.2.5 に記した通りである。

て消化吸収率が向上した報告がある。繊維生地の改良にセルラーゼが活用されている。柔軟性とともに表面の8.8.3

ウリカーゼ（尿酸酸化酵素）

毛羽の除去による光沢の向上や、G パンの洗い加工がス

尿酸はプリン代謝の最終産物で、血液、尿中の尿酸

トーンウオッシュからバイオウオッシュに変わりつつの定量は痛風の診断に使用される。ウリカーゼは次のあると言われている。

反応を触媒する。尿酸と、反応によって生成するアラ
ントインとの吸光度の差を利用して測定するか、過酸

8.8 臨床分析（診断）用酵素
酵素反応を臨床分析に応用するには次の３つの方法があるが、本報告で扱うのは３）である。
１）	血清や尿などの体液中の酵素活性の増減から病態を間接的に診断する
２） 
生体組織検査法などにより組織から材料を取174

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

化水素をパーオキシダーゼと共役して測定する。反応系を図 8.40 に示す。

ウリカーゼクレアチンデイミナーゼ

O
H
N
N
H

N
O

N
H

O + 2H2O

H2N

+ O2

H
N
N
H

N
H

O

尿酸

O

O + CO2 + H2O2

アラントイン

図 8.40

クレアチニン +二酸化炭素 過酸化水素

ウリカーゼによる尿酸の分解反応

NH

CO

N

CH2

H2O

グルタミン酸デヒドロゲナーゼ

N- メチルヒダントイン

HN C

NH

CO

N

CH2

+ NH3

グルタミン酸2- オキソグルタール酸

+

+

NAD

NADH

O C

CH3

CH3

図 8.43

ウリカーゼの生産株は Bacillus 属細菌が知られてい酵素法によるクレアチニンの定量反応

る。
この遺伝子を大腸菌で発現させても生産されている。
8.8.6
8.8.4

中性脂肪

ポリアミン定量用酵素

ガン患者の尿中のポリアミン濃度が異常に高いこと

血液中の中性脂肪は生活習慣病の領域の中の重要なからガンとの相関性が調べられている。プトレッシン、

検査項目である。測定法はいくつかあるが、その一つ

スペルミン、スペルミジンなど、それぞれのオキシダー

は中性脂肪をリパーゼ（8.6.1）で分解し、生成する

ゼ（酸化酵素）が見出され、反応の結果対応するアルグリセロールをグリセロールキナーゼ、ピルビン酸キ

デヒドとともに生成する過酸化水素を定量する。

ナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼと反応させて、NADHの吸光度の変化で測定するものである（図 8.41）。

トリグリセリド（中性脂肪）

グリセロール+

質、糖たんぱく質の一種）含量が高いことから、これ

脂肪酸（グリセロールキナーゼ）
+

ATP

ADP

PEP*

らの診断やモニタリングに使用されている。

グリセロールー 3- リン酸+

ADP（ピルビン酸キナーゼ）
+

ATP

+

8.9 抗生物質の生産に使用される酵素

ピルビン酸（乳酸脱水素酵素）
ピルビン酸+

図 8.41NADH+

シアル酸定量用酵素

炎症性の疾患やガン患者の血清中のシアル酸（糖脂（リパーゼ）

グリセロール

8.8.7

H+

乳酸

+

NAD

酵素の組合わせによる中性脂肪の定量反応

8.9.1

ペニシリンアミダーゼ

1929 年にフレミング（A. Fleming）によって発見さもうひとつの酵素は同様に生成するグリセロールをれたペニシリンをはじめとして、多くの抗生物質が発見、グリセロールオキシダーゼで、次の反応によって生成開発され、第 2 次大戦後多くの感染症の治療に絶大な威する過酸化水素を定量する方法である（図 8.42）。

力を発揮した。しかし今日では耐性菌の出現などが問題

グリセロールオキシダーゼはAspergillus japonicusとなっていることはよく知られているところである。
抗生物質の生産に使用される酵素にペニシリンアミが生産する。

ダーゼがある。この酵素はわが国の村尾、坂口が初めて見出した酵素で、次の反応を触媒する（図 8.44）。

グリセロールオキシダーゼ

S
CH2

+

CHOH

O2

+

CH3
N

H2O2

CH2OH

CH2OH

グリセロール

グリセルアルデヒド

COOH

O

ベンジルペニシリン（ペニシリン G）
ペニシリンアミダーゼ

図 8.42 グ リセロールオキシダーゼによるグリセロール
の分解反応

S
H2N

8.8.5

CH3

HN

CHO

CH2OH
CHOH

CO

N

クレアチニン定量用酵素

O

血清中のクレアチニンの含量は腎臓機能の診断に用いられる。Pseudomonas putida のクレアチナーゼな

CH3
CH3

＋フェニル酢酸

COOH

6- アミノペニシラン酸（6-APA）

どを組み合わせた方法と Corynebacterium lilium が

図 8.44

ペ ニシリンアミダーゼによるベンジルペニシリ
ンの分解反応作るクレアチニンデイミナーゼを作用させて、生成す

ペ ニ シ リ ン ア ミ ダ ー ゼ の 生 産 株 は Bacillus

る NH3 をグルタミン酸デヒドロゲナーゼと共役させてmegaterium や E. coli が 知 ら れ て い る。 反 応 はNADH の変化で測定する方法がある（図 8.43）。

Penicillium chrysogenum （の変異株）によって生産されるベンジルペニシリン（ペニシリン G）の 6 位の酵素の生産と利用技術の系統化

175アミド結合を分解して 6- アミノペニシラン酸（6-APA）とフェニル酢酸に変換する。ここで得られる 6-APA は、
6 位のアミノ基、あるいは 3- 位のカルボキシル基に各種の官能基を導入して、半合成ペニシリンの原料とS
HOOC(CH2)3

CH

CO

HN

NH2

+ H2O

N

CH2OCOCH3

O
COOH

セファロスポリン Cなる化合物で、ペニシリンの母核と呼ばれている。世セファロスポリンアミダーゼ

界の推定生産量は約 5,000 トンである。わが国では

S
H2N

1973 年に旭化成社で B. megaterium から得られた酵

6-APA を原料として、より望ましい性質を持つ誘導体が合成されている。たとえば、経口投与が可能な
アンピシリン、さらに有効な菌株の範囲を示す抗菌ス

αアミノアジピン酸

CH2OCOCH3O
COOH

アルデヒドで固定化したバイオリアクターによる連続生産が行われている。

+ D

N

素を、多孔性のポリアクリロニトリル繊維にグルタル

7- アミノセファロスポラン酸（7-ACA）

図 8.45

セファロスポ C リンからの 7-ACA の生成反応

8.10 有用化学品の合成に使用される酵素

ペクトルの広いアモキシシリン、耐性菌に有効なメチシリンなど、多くの改良製品となった。しかし、一時的な効果は示されても、いずれも程なく新たな耐性菌

8.10.1

ニトリルヒドラターゼを用いるアクリルアミ
ドの生産が出現し、いわゆる“新薬と耐性菌のイタチの追っか

アクリルアミドはビニル系ポリマーの原料で世界でけごっこ”となり、抜本的な対応策は見出されていなは約 20 万トンの市場がある。京都大学の山田秀明ら

いこともよく知られている。なお、耐性菌が耐性を獲はアクリロニトリルをアクリルアミドに変換する新し得するメカニズムはいろいろ考えられるが、最もよくい酵素、ニトリルヒドラターゼを見出し、この酵素

知られているのは、耐性菌はペニシリナーゼ（β - ラの生産株として Pseudomonas chlororaphis ,クタマーゼ）を作る能力を獲得してβ―ラクタム環

活性の高い Rhodococcus rhodochrous を分離した 18）。

を開裂して無毒化するためである。

これらの培養菌体を酵素源として、基質アクリロニト

さらにリルをフィード法で加え、pH7.5、約 10℃、7-10 時間
8.9.2 セファロスポリンアミダーゼの反応で、ほぼ定量的にアクリルアミドに変換され、ペニシリンと同様なβ―ラクタム環をもつ抗生物質

濃度 650 ｇ／ L が得られることを示した。反応系を図で、一般的にペニシリンよりも効果が優れ、安全性も8.46 に示す。これらの菌株は生成したアクリルアミ

高いとされている抗生物質にセファロスポリンがあドを分解してアクリル酸に変換するアミダーゼの活性る。Cephalosporium acremonium が生産するセファロが弱いものが選ばれている。

スポリン C を原料にして母核となる 7- アミノセファ
ロスポラン酸（７－ ACA）が作られる。７-ACA から各種のセファロスポリン誘導体が合成されている。７－
ACA は以前にはセファロスポリン C から数段階の化学的な処理と酵素反応で得られていたが、Pseudomonas

ニトリルヒドラターゼ

アミダーゼ

CO NH2CH2 CHC N + H2O

CH2 CH

アクリロニトル

アクリルアミド

図 8.46（CH2 CH COOH

+

NH3）

（アクリル酸 + アンモニア）

酵素によるアクリロニトリルの変換経路

sp. から新しいアミダーゼが発見され 1 段階の反応で７－ ACA が得られるようになった 17）。反応式を図 8.45

この実験結果は日東化学工業（現三菱レイヨン）で1991 年に工業化され、年間約 3 万トンのアクリルアに示す。

ミドが生産されている。また三菱レイヨンからライセンスを受けたフランスの SNF 社はフランス、アメリ
カ、中国で生産を行っていると言う。アクリルアミドのようないわゆるコモデテイケミカルスも生化学的なプロセスで生産されることが示された。
従来の化学合成法では銅、クロムなどの金属系触媒を用いる水和法で行われていたが、触媒の調製が煩雑であり、金属触媒による環境汚染の可能性、高温高圧の反応による高いエネルギー消費などの問題点があっ176

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

たが、酵素法はこれらの問題点の多くを解決した。因8.10.3

ラ クトノヒドロラーゼを用いる D- パントラ

みにアクリルアミドの銅触媒法と酵素法の製法におけクトン（D- パントテン酸中間体）の生産

る、生産物アクリルアミド当たりのエネルギー消費量

D- パントテン酸は水溶性ビタミンの一つで、生体内と二酸化炭素の排出量の原単位で比較すると、電力やではコエンザイム A の構成成分である。欠乏症として蒸気量などのエネルギーが約 30％、二酸化炭素の排皮膚、副腎、末梢神経、消化管などに障害が起こる。

出量で約 40％削減されるとされている

19）

医薬品や飼料添加物として世界で約 8,000 トンの需要。

このように、現在の化学品の大部分は石油や天然ガがある。D- パントテン酸の合成経路を図 8.48 に示す。

スを原料として高温高圧の多段階のエネルギー消費型

ポイントになる反応は DL- パントラクトンから D- パンの化学合成反応で行われ、場合によってはハロゲンなト酸を得る光学分割の反応で、従来は煩雑な化学的などの有害とされる溶媒が使用される。これに対して、方法で行われていたが、清水 昌、山田秀明らは DL-

省エネルギー、廃棄物削減、環境汚染と温暖化防止を

パントラクトンから D- パント酸を生成するラクトノヒ目的とした、いわゆるグリーンケミストリーへの取りドロラーゼを Fusarium oxysporum から得て、図 8.48 に組みが世界的に行われている。その手法の一つが酵素示すルートの D- パントラクトンの製法を開発した 21）。

の利用を中心とするバイオプロセスであり、これを実

富士薬品工業社はこのフローに固定化酵素を使用する

証したニトリルヒドラターゼの活用によるアクリルア

方法で工業化し、1999 年から 3,000 トン／年の D- パン

ミドの生産は重要な発見であり重要な技術である。

トラクトンの生産を行っている。

そのほかアメリカのデュポン社ではプラスチックの原料となる 1,3- プロパンジオールをグルコースから、（化学合成）

ラクトノヒドロラーゼ（化学的ラクトン化）（化学合成）

同じくカーギル社では生分解性プラスチックの原料とOH
Hなる L- 乳酸の大量供給など、化学プロセスからバイOH

HO－CH2－C－C－CO－NH－CH2－CH2－COOR
OH HO

OH

D- パント酸
O

O

H3C

O

O

オプロセスへの変換、つまり石油化学工業からの脱却が計画されている。

H3C

H

D- パントラクトン

OH

D- パントテン酸

OH
H

DL- パントラクトン
O8.10.2

ニトリルヒドラターゼを用いるニコチン酸ア
ミドの生産

O

L- パントラクトン（化学的ラセミ化）

ニコチン酸アミドは、ニコチン酸とともにナイア

図 8.48

シンとも呼ばれる水溶性ビタミンであり、生体内では NAD, NADP（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）などに変換され、脱水素酵素類の補酵素とラクトノヒドロラーゼによる D- パント酸の生成
反応と D- パントテン酸の合成経路

8.11

その他の酵素

なって酸化還元反応に大きな役割を果たしている。医薬品や栄養剤として使用される。山田秀明らによって

Rhodococcus rhodochrous 由来のニトリルヒドラターゼを用いる反応の一つとして、次の反応式による高収率
でニコチン酸アミドが生産されることが示された

8.11.1

カタラーゼ

カタラーゼは過酸化水素を分解して水と酸素を発生
する次の反応を触媒する（図 8.49）。

20）

。
カタラーゼ

反応式を図 8.47 に示した。
この反応はスイスのロンザ社によって 1998 年中国で工業化され 3,000 トン規模の生産が行われている。

2H2O2

図 8.49（化学合成）+

O2

カタラーゼによる過酸化水素の分解反応

ニトリルヒドラターゼ（化学合成）
N

2H2O

N

N

過酸化水素は繊維加工における漂白、カズノコの漂CH33- メチルピリジン

図 8.47N

CO NH2

3- シアノピリジン

ニコチン酸アミドCニ トリルヒドラターゼによるニコチン酸アミドの生成反応

泊など食品加工、IC チップの洗浄など、多くの場所で使用されている。繊維の漂白剤として、酸化系のものには亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム、
過酸化水素、還元系のものとしてハイドロサルファイ
トなどが使用されていたが、塩素系や硫黄系のものは副生物の発生などの問題点が考えらるので、過酸化水酵素の生産と利用技術の系統化

177

素が環境負荷が最も小さいものとして多用されていA. niger 、ノボノルデイスク社による遺伝子組換え A.

た。しかし繊維加工の次の工程である染色の段階で過oryzae

酸化水素の残存が染色の効率を下げるためにこれを十チン酸の分解反応を図 8.50 に示す。

などが知られている。フィターゼによるフィ分に除去する必要がある。水洗を十分に行うことや還元剤で処理する方法が行われていたが、いずれもコストと手間のかかる操作である。カタラーゼ処理が有効であることは分かっていたが、当初は価格が高いため採用されなかった。最近ではカタラーゼが安く供給さ

フィターゼ

HO3PO

OPO3H

HO

HO3PO

HO
O

HO
HO3PO

HO

OPO3H

+ 6 HO P
OH

HO

HO3PO

OH

O

れるようになって酵素処理が実用化されている。
食品加工の場では、食品衛生法によって過酸化水素の残存量が 30ppm 以下と定められているので、この

myo- イノシトール

フィチン酸

図 8.50リン酸

フィターゼによるフィチン酸の分解反応除去のために従来は水による洗浄、亜硫酸ソーダ、アスコルビン酸による処理などが行われていたが、大量

8.11.3ウレアーゼの水が必要、残留性の問題、食品の色の戻りなどの問

ウレアーゼは尿素を加水分解して二酸化炭素とア題点があった。これらの問題点はカタラーゼの使用にンモニアに変換する反応を触媒する酵素である（図よって解決された。

8.51）。

IC チップの洗浄は過酸化水素とアンモニア水、過酒類の製造中に自然発生するカルバミン酸エチルが酸化水素と塩酸などで行われている。この排水中の過近年有害物質と同定された。この物質の生成反応は尿酸 化 水 素 の 処理は亜硫酸水素ナトリウム（NaHSO4）

素とアルコールによる図 8.52 に示す反応式で進むこで行われていたが、この物質の使用による硫酸ナトリとが明らかにされ , 最終的にカルバミン酸エチルのウムの生成、酸化硫黄ガスの発生などの問題点があっ発生を抑えるためには尿素を除けば良いことがわかった。これらはカタラーゼの利用によって解決することた。当初は植物由来の中性ウレアーゼの使用が試みらは予想されていたが、繊維加工の場合と同様にコスれたが、酒類のような酸性条件下にある状態では酵

ト高がネックになっていた。現在ではこの酵素が A.

素が不安定のため大量に使用しなければならなかった

niger などを用いて安く生産されるようになり実用的が、結局乳酸菌由来の酸性ウレアーゼを用いて目的がに活用されている。

達成されている。

ウレアーゼ
8.11.2フィターゼ

この酵素はフィチン酸（図 8.50）のリン酸を脱離させる酵素である。フィチン酸は穀類、マメ類の有機リ

NH2

O C

問題となる点は、穀類や豆類を飼料として使用する+

NH2ンの貯蔵物質で myo - イノシトールｰ 6- リン酸である。

尿素

図 8.51場合のことで、フィチン酸は動物にとって消化されに

H2O

2NH3

水

アンモニア

+

CO2
二酸化炭素

ウレアーゼによる尿素の分解反応

くく、栄養素としてののリン源とはなりにくく、また腸内でマグネシウムやカルシウムと結合しやすいので、これらミネラルの吸収率が悪くなるところにある。このため、家畜の飼料にはリン源として無機リン酸塩が加えられているが、しばしば過剰に加えられたリン酸塩は環境中に排出され、河川や湖沼の富栄養化の原因となる。飼料の穀類などを事前にフィターゼで処理しておけばフィチン酸からリン酸が供給され、またミネラルの吸収が向上するわけである。したがって、無機のリン酸塩をわざわざ添加する必要はなくなり、富栄養化は抑えられる。最近では肉骨粉の飼料添加が問題になっており、この点からも需要増加が見込まれている。フィターゼの生産株は協和発酵による178

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

O C

NH2
NH2

尿素

図 8.52+C2H5OH
エタノール

C2H50-CO-NH2 +カルバミン酸エチル

NH3
アンモニア

尿 素とエタノールからのカルバミン酸エチルの
生成反応

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酵素の生産と利用技術の系統化

179

9 酵素の生産と利用技術の系統化図
酵素の生産と利用技術の系統化を図示した（図 9.1）。

Ｑの指導もあって、ペニシリン発酵を中心にアメリカ

この図では年代を上部に掲げて、技術が生まれる背景

からの指導や応援があり、多くの企業がこれに参画しにある科学（微生物学、生化学、分子生物学および遺た。特に製薬以外の企業の参加が多いのが特徴であっ伝子工学とタンパク質工学）を次に示し、
これらをベー

た。ただ、酵素生産で現在も重要な位置づけにある固スにして生まれてきた技術の関与を示している。

体培養法は日本古来の麹カビの培養技術が大きな力になって生きていることを示している。

酵素の生産技術は生産菌株のスクリーニング→菌株の育種改良→酵素機能の改良→大量培養→培養液から酵素の単離・精製技術はタンパク質の生化学から生の酵素の単離・精製へと展開されてきた。微生物学のまれた学術的に重要な技術である。すなわち、実験室

基本的な技術として微生物の分離と純粋培養の技術がレベルではアルコールやアセトンを用いる溶媒沈澱、

コッホ（R. Koch）らを創始とする多くの先覚者によっ可溶性の塩類を加える塩析、等電点沈澱などによってて 19 世紀末には確立されていたが、菌株スクリーニ

タンパク質を沈殿させ、さらに透析や限外濾過などのングとは、無限に存在する微生物の中から特定の目的

膜技術によって夾雑物を除き、さらに必要に応じてにかなうものを最も効率よく選択するために、培地や種々のクロマトグラフィーなどを活用して精製がおこ培養法を工夫することで、1940 年ころから欧米で本なわれるが、これらをほぼスケールアップする形で工格的に始まった抗生物質生産菌のスクリーニング技術

業生産技術が確立されている。

が大きな指標になったことを記しておかなければならエンジニアリングは微生物の大量培養と単離・精製ない。さらに、突然変異による菌株の改良、および大工程に関するもので、現在ではいずれもコンピュータ

量培養、特に液体の深部培養（タンク培養）について制御による工程管理が行われている。

も抗生物質生産のために開発された技術が日本の技術

酵素の利用に関する技術として固定化と粒状化を取開発に大きな影響を与えた。特に第 2 次大戦後、ＧＨり上げた。固定化技術は主として有用物質の生産に活

年代

1940
微生物学

50

60

70

(Microbiology)
生化学

〈

背

80
景

に

90

あ

る

科

2000
学

2010

〉

(Biochemistry)
分子生物学(Molecular biology)
遺伝子工学

突然変異

タンパク質工学 (Genetic and Protein engineering)

遺伝子操作技術

タンパク質改良技術

微生物のスクリーニング技術
菌 株 改 良 技 術

抗生物質生産酵素生産菌の分離

生産株の改良大

大量培養技術（タンク培養）

麺つくり技術量

酵素の機能改良培

カビの固体培養技術

タンパク質化学

養エンジニアリング

酵素の単離・精製技術

タンパク質の分離精製技術

酵素の固定化技術

製品酵素
固定化酵素

凡例
……

共通的な技術……

酵素に固有の技術

製剤化技術

図 9.1

180

国立科学博物館技術の系統化調査報告

酵素の顆粒化技術

酵素の生産と利用技術の系統化図

Vol.14 2009.May

顆粒化酵素

用されている。酵素は通常は溶液の状態で使用され、本文に記したとおり、元来が粉末酵素の安全性の問題

回収ができないため 1 回限りの使用しかできなかっ点を解決するために開発された技術であるが、酵素のた。さらに安定性が良くないものであったが、固定化安定化と取扱いが楽になるメリットが生まれた。

技術によって、固体触媒のように安定性が高く、繰りこのようにして酵素は製品化され市販されている返し使用できる大きなメリットが生み出された。実験が、一方酵素を含む微生物自体が酵素源となっている

室レベルの技術では欧米が先行していたが、工業化レケースでは酵素は製品となっているわけではなく微生

ベルでは日本が進んでいる場面が多くなっている。粒物の菌株自体が酵素源であって、特許出願されたもの

状化技術では医薬品などの製剤化技術が応用された。

については公的な機関に寄託されている。

酵素の生産と利用技術の系統化

181

10 今後の酵素技術の課題と展開
現在の世界的な関心事項は、健康と栄養、資源とエや牛の胃から得られていたことによる生産性の悪さとネルギー、および環境保全である。これらの確保、維動物愛護という問題点を画期的に改善した大発明であ持と増進に向けて様々な努力が傾注されているが、今るが、すぐに別の菌株による酵素が特許出願され、先後とも酵素に関する技術開発も基本的にこれらがター

発発明の大きさがビジネスの大きさとして反映されてゲットとなるであろう。その中でバイオテクノロジー

いないように見える例である。もちろん権利の広い特に期待されるところは大きいし、その中のかなりの部許を押さえておけばよいことではあるが、当初から予分は酵素技術に期待されるところである。

測することもなかなか難しいことである。したがって繰り返し記してきた通り、酵素反応は常温常圧で酵素自体とともに、用途と連動した製品開発が重要と進行する化学反応である。つまり、この活用によって思われる。たとえば林原によるマルトオリゴシルトレ

省エネルギーで環境調和型のプロセスを構築できる可

ハロース合成酵素とマルトオリゴシルトレハロースヒ

能性が大きいことを示している。多くの医薬品、栄養

ドロラーゼとトレハロースの生産、味の素と天野エン

物質、などのファインケミカルスのみならずコモデテ

ザイムによるトランスグルタミナーゼの開発とタンパ

イケミカルスの製造をはじめ、資源の活用や発掘、廃ク質の加工技術との連動などの例である。

棄物処理や難分解性物質の処理、などにも活用される

デンマーク）、ゼネンコア社（Genencor，アメリカ）、傾向が強まると考えられる。
そのためには新しい機能を持つ酵素の探索が第一にギストプロカーディス社（Gist-procades，オランダ）

必要であり、この開発に多くのエネルギーが注力されなどの欧米の大手企業に比較して規模は小さいが、こると考えられる。一般的には、新しい酵素は新しい微れまでは対等以上の競争力を維持している。また酵素

生物に求めるのが定石である。その点で、既知の微生の市場は世界で約 5-6000 億円と推定されているよう物でも未利用のものはまだ 80-90% 残っていると言わに、意外に小さいのである。酵素というものが、触媒れている。これらの探索が手っ取り早いが、さらに地という性質上、“縁の下”の役割を果たしているわけ

球上とは異なる環境、たとえば深海や地下の微生物のであるが、末端製品ははなはだ大きいものである。た

探索も行われている。ここから得られる材料を調べてとえば、本文で記したとおり、遺伝子工学の技術は酵

ゆけば新たな機能をもつ酵素の発見も可能である。タ

素技術の集合体であり、酵素がなければ存在し得ない

ンパク質工学による改良も多くの実績が得られているものである。現在、遺伝子工学に関連する科学や技ので、この方向は当然強化され期待も大きい。

術が世界に与えているインパクトの大きさから考える

当然のことにこれらの中で、もっと大事なポイン
トは如何にしてスクリーニングするか、という方法論と、酵素がいかに偉大な役割を果たしているかが理解されるであろう。

である。これがしっかりしていれば、必ずしも特殊な日本の酵素メーカーの健闘は独自の技術力負うとこ

菌株でなくても、身近に有力な候補が得られるものでろが大きいが、さらに日本の技術の強みを伸ばし、弱ある。

点はどこにあるのかを見極めて、技術力を確保し新規資源やエネルギー確保の面からは未利用資源の活用な製品得るとともに、中国などの安い原料や人件費をが考えられる。キチンやキトサンを分解するキチナー

もつ途上国の追い上げに対応するために特段の努力がゼやキトサナーゼによる興味深い研究成果が得られて要求される。それらへの技術上の対応法の一つが、（すいる。また、バイオマスが注目されている。その中ででに行われているが）産学による共同研究のさらなるもヘミセルロース、リグニンの分解などの分解、ある

強化ではないか。たとえば、日本農芸化学会の発表演

いは分解産物からの有用物質などがテーマとして考え

題を見ると、酵素を扱っているものが非常に多く、酵られる。

素への関心の高さを示しているが、これらを企業的な本調査研究の中で気がついたことは、酵素特許の権利が意外に小さく、権利の取得を巧妙に進めないと先発の特権をなかなか行使できない、ということである。たとえば、有馬らによって発見されたムコールレ
ンネット（凝乳酵素）の開発は、従来の酵素が若い羊

182

日 本 の 酵 素 メ ー カ ー は ノ ボ ザ イ ム 社（Novozyme，

国立科学博物館技術の系統化調査報告

Vol.14 2009.May

視点から、新規な機能開発に目を向けさせてゆく目が重要ではないだろうか。

11 謝 辞本報告書の作成に当たっては下記の方々のご協力をいただいた。厚く御礼を申し上げる。
元林原株式会社

辻阪好夫

新日本化学工業株式会社

山本

天野エンザイム株式会社

紀藤邦康

綽

富永隆一
和地

昇

秋葉哲典
木村茂樹
味の素株式会社

横関健三

ノボザイムズジャパン株式会社

坂口博脩
橋田みよ子

エイチビイアイ株式会社

佐々木勝

元三共株式会社

田島量造

第一三共株式会社品川開発センター

メシスコ亜紀ナガセケムテックス株式会社

黒崎隆之

永田醸造機械株式会社

伊藤秀明

高岡市立博物館

藤井恵里

金沢市立ふるさと偉人館

野村信

本報告書の作成に当たっては以下の資料を参考にさせていただいた。
１）上島孝之：｢ 産業用酵素 ｣、
丸善（株）1995 年 7 月 .
２）
上 島孝之：｢ 酵素テクノロジー ｣、幸書房、1999
年 11 月．
３）
左右田健次編著：「生化学―基礎と工学」、化学同人、2001 年 3 月 .
４）
一島英治：
「酵素―ライフサイエンスとバイオテ
クノロジーの基礎」、東海大学出版会、2001 年 3月５）
（財）バイオインダストリー協会発酵と代謝研究会編：「発酵ハンドブック」、
共立出版、
2001 年 7 月 .
６）
（社）
日本生物工学会編：「生物工学ハンドブック」、
コロナ社、2005 年 6 月 .
７）日本酵素協会編：｢ 日本酵素産業小史 ｣、2009 年
４月

酵素の生産と利用技術の系統化

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技術の系統化調査報告 第 14 集
平成21（2009）年5月29日■編集

独立行政法人

国立科学博物館

産業技術史資料情報センター（担当：コーディネイト・エディット 永田 宇征、エディット 大倉敏彦・久保田稔男）■発行

独立行政法人

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TEL：03-3822-0111■デザイン・印刷株式会社ジェイ・スパーク