研究活動概説⃝バイオ研究グループ

ＲＩＴＥ

Ｔｏｄａｙ

２０１９

バイオ研究グループ【コアメンバー】
サブリーダー・副主席研究員
副主席研究員		
副主席研究員		
副主席研究員		
主任研究員			主任研究員			主任研究員			主任研究員			グループリーダー・主席研究員
乾

主任研究員			将行主任研究員			主任研究員			

佐々木朱実
稲富
寺本健一
陽彦

平賀
田中
須田和三

北出裕也
雅子

豊田加藤幸広

長谷川晃一
直人

渡邉

智
彰

主任研究員
主任研究員
主任研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員
研究員

小暮

高久

大島俊宏

橋本清水龍馬
哲

久保田
生出橋詰
原
肥後

健

伸一

正義
知明
明佳

ナタリア

マリア

テレシア

持続可能な社会の実現を目指したグリーンバイオプロセスの開発
バイオ燃料の代表であるバイオエタノールは、米国

1. はじめに生物機能を利用したバイオテクノロジーは、医療やではトウモロコシ、ブラジルではサトウキビを原料と農業、工業などの分野に幅広く貢献している。近年、して生産され、ガソリンに10〜25％混合されて自動バイオテクノロジーと再生可能な生物資源を活用して車用燃料として供給されている。最大の生産・消費国地球規模での課題を解決しながら経済成長を図る「バである米国では、2018年もトウモロコシは豊作であイオエコノミー」というコンセプトが欧米を中心にアり、米国エネルギー情報局（EIA）によれば、159億ジアまで拡大しており、経済協力開発機構（OECD）ガロン（6,010万kL）のバイオエタノールが生産されに よ る と、「2030年 バ イ オ 市 場 は 加 盟 国 全 体 で 約た。米国における再生可能燃料基準（RFS）に基づい180兆円規模に拡大、工業分野は約4割に達する」とた再生可能燃料添加義務量（193憶ガロン、2018年）の予測である（図1）。当グループでは、このバイオの約3/4がトウモロコシ由来のバイオエタノールで賄エコノミーの中核技術であるバイオリファイナリー技

わ れ た。OECD-FAOの「Agricultural Outlook

術、即ち再生可能資源（バイオマス）を原料としてバ2018-2027」によれば、2018年は1.22億kL のバイイオ燃料やグリーン化学品を製造する技術の開発を進オエタノールが世界で生産され、その半分を米国が占めている。本項では、まずバイオ燃料やグリーン化学めた。この割合はここ数年変わっていない。

品生産について、世界の概況を紹介する。

バイオディーゼルは、欧州では主に菜種、米国では大豆を原料として生産されており、2018年のバイオディーゼル生産量は0.374億kLと予測されている（図2）。最大の消費地は、ディーゼル自動車の割合が多いフランスやドイツなどの欧州である。
最近はアルゼンチンやインドネシアのバイオディー
ゼル原料輸出量が増加している。しかし、英国やフランスでは2040年までにガソリン車・ディーゼル車の販売を終了する予定であり、ドイツでもディーゼル車の市街走行が禁止される判決が認められた。したがっ図1

バイオエコノミー市場予測て、欧州ではディーゼル燃料の消費は増加しない方向24

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バイオプラスチックの世界生産量は214万トンの予測であり、徐々に拡大している。欧米の一部では使い捨てのプラスチックボトル等の公園での販売禁止や回収・リサイクルが義務付けられる法案が可決されている。日本バイオプラスチック協会によると日本でのバイオプラスチック出荷量推計は約4万トンと少ないが、環境省ではプラスチックごみを削減するため、生分解プラスチックを使った製品開発への委託事業などを2019年から開始する予定である。
2. RITEバイオプロセスの特徴
図2

世界バイオ燃料生産の見通し

当グループでは、これまでに新規技術コンセプトに基づく革新バイオプロセスRITEバイオプロセス（増と予想される。

殖非依存型バイオプロセス）を確立し、バイオ燃料や原料が食料資源と競合しない第2世代バイオ燃料でアミノ酸、芳香族化合物を始めとしたグリーン化学品あるセルロースエタノールは、トウモロコシ等の農業を、高経済性で製造する技術開発に大きな成果を上げ、残渣を原料として生産されることから、CO2排出削減

国内外から高い評価を得ている。

への大きな期待が寄せられてきた。現在、米国とブラジルの2か国で大規模セルロースエタノールプラントが稼働中で、2018年は欧州でも新しいプラントの建設が報告された（各社website）。RFSによる米国でのセルロース系原料からのバイオ燃料の2019年の生産目標は4.18億ガロン（約160万KL）である。
航 空 機 か ら のCO2削 減 の 切 り 札 で あ る バ イ オ
ジェット燃料は、年々普及が進んでおり、海外では調理用廃油などを利用したバイオジェット燃料による商業飛行が継続されている。RITEでもバイオブタノー

図3

RITEバイオプロセス（増殖非依存型バイオプロセス）の特徴

ルを原料とした民間のバイオジェット燃料生産プロ
ジェクトへの技術協力を2018年から開始した（トピックス参照）。

本プロセスの特徴は、目的物質を効率的に生産できるように高度に代謝設計されたコリネ型細菌（スマートセル）を大量に培養し、細胞を反応槽に高密度に充グリーン化学品

填後、嫌気的な条件や、増殖に必須な因子を削除する

近年、ペットボトルや使い捨てプラスチックによることにより細胞の分裂を停止させた状態で反応を行う

環境破壊の問題が国際的な問題としてクローズアップ（図3）。高効率化の鍵は、微生物の増殖を抑制した状されている。特に海洋におけるマイクロプラスチック態で化合物を生産させることにあり、増殖に必要な栄汚染は深刻であり、また中国や東南アジアの廃棄プラ養やエネルギーも不要である。これにより微生物細胞スチック輸入禁止は、日本のプラスチックリサイクルをあたかも化学プロセスにおける触媒のように利用すに大きな影響を及ぼしている。このような背景から、ることが可能で、通常の化学プロセスと同等以上の高再生可能資源であるバイオマスを原料としたバイオプい生産性を備えたバイオプロセスが実現した。また、

ラスチックや生分解プラスチックに大きな期待が寄せコリネ型細菌の代謝系の改良により、C6糖類およびられている。

C5糖類の完全同時利用を達成し、効率的なセルロー

欧州バイオプラスチック協会によると、2019年のス系バイオマス利用を可能とした。さらに、本プロセ25

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スは、セルロース系バイオマスを加水分解した混合糖研究により、非可食バイオマス由来の混合糖を原料とに存在するフラン類等の発酵阻害物質に対しても耐性したバイオブタノール生産技術の開発を加速させていが高い（詳細はRITE Today 2013〜2018参照）。

る。

現在、エタノール、L-乳酸、D-乳酸、アミノ酸等の更に、2017年からは米パシフィック・ノースウエ

高効率生産に加えて、ブタノールやジェット燃料素材、スト国立研究所（PNNL）との共同研究により、ブタ芳香族化合物などの高機能化学品生産へ幅広い展開をノールを化学的にオリゴマー化したり、ブタノールの図っている。次章では、当グループの主要ターゲット

バイオ生産時に原料由来の酢酸を同時にエタノール化であるバイオ燃料の生産技術開発について紹介する。

し、ブタノール/エタノールの混合物をオリゴマー化する新しいアイディアに基づいて、ジェット燃料など3.

バイオ燃料の生産技術開発

3.1.

バイオブタノールのdrop-in燃料に変換する技術開発を進めている。
ブタノール生産においては、蒸留におけるエネルギーブタノールは、ガソリン代替としてエタノールより消費が大きいことから、蒸留とPV（pervaporation）もエネルギー密度が高く、蒸気圧が低く、水と混和し膜濃縮を組合わせることによって、精製に必要なエネにくいという優れた特性を有している。さらにブタルギーを約10分の1に低減する省エネルギー型ブタノールを出発原料として化学変換によってジェット燃ノール回収技術の開発も並行して進めている。ブタ料を製造することができる。即ち、植物由来のバイオノールのバイオ生産では、世界最高レベルの高生産性ブタノールから製造したバイオジェット燃料で航空機を達成しており、生産菌のブタノール耐性の向上、生を飛ばすことができる。航空機からのCO2排出削減に産菌の代謝経路の最適化、および上記省エネルギー型はこれが必須と認識され、業界団体の動きが加速してブタノール回収技術の開発、などの個別要素技術開発

い る。 ブ タ ノ ー ル を 原 料 と し た ジ ェ ッ ト 燃 料 は、を進め、これらを組み合わせることによってバイオブ

Alcohol to Jetを略してATJ燃料と呼ばれ、2016年タノールの更なる高速・高収率な生産を目指している。に米国材料試験協会（ASTM）の規格をクリアして、商 業 フ ラ イ ト へ の 利 用 が 可 能 と な っ た（http://www.gevo.com/）。

3.2.

グリーンジェット燃料

ジェット燃料は炭素数9〜15個のイソパラフィン、こうした動きに先駆け、当グループでは、RITEバ

シクロパラフィン、芳香族化合物等の混合物で、含量イオプロセスを利用した高効率バイオブタノール生産

比は原料である原油中の含量比を反映し、産地ごとにプロセスの開発を進めている。2015年度からは、経異なる。

済産業省の「革新的なエネルギー技術の国際共同研究

ジェット燃料は析出点や密度など様々な物性が厳密開発事業」を推進中である。我々の生産技術の特徴は、に規格化されている。ASTMによって認証済みのバイ原料としてセルロース系バイオマスを利用可能で、且オジェット燃料はいずれもイソパラフィンを主成分とつ高速・高収率生産が可能な点にある（図4）。

し、石油系ジェット燃料と最大で50％までの混合使

しかし、ブタノールは細胞毒性が強い問題がある。
そこで、本事業では高度な育種技術により、RITEバ用 が 認 め ら れ て い る が、 密 度 の 制 約 か ら 実際 に は50％も混合できない場合がある。

イオプロセスの高い生産性を更に引き上げると共に、イソパラフィンはシクロパラフィンや芳香族化合物

米国立再生可能エネルギー研究所（NREL）との共同

より密度が軽く、石油系ジェット燃料の密度は各含量を反映して産地によって異なる（図5）。イソパラフィンを主体とする既存のバイオジェット燃料の密度はシクロパラフィンや芳香族化合物を含まないためジェット燃料の規格を下回り、中東やアフリカ産の密度が軽い石油系ジェット燃料に対して50％も混合すると混図4

 ITEバイオプロセスによるバイオブタノールおよびジェット燃
R料生産

合燃料の密度も規格を下回り、ジェット燃料として使用できなくなる。

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そこで当グループではシクロパラフィンや芳香族化ステムを確立することが目標として掲げられている。

合物も含み、単独でも密度の規格を満たすことで石油微生物を利用した水素生産（バイオ水素生産）は、系ジェット燃料の産地に依存せずに最大限混合可能な将来の持続可能なCO2フリー水素製造技術となり得新規グリーンジェット燃料の開発を行っている。また、

るが、経済性あるバイオ水素生産技術の確立には、生含有する成分の炭素数分布を石油系ジェット燃料と類産性の飛躍的な向上が必要とされる。当グループは、似した分布にすることで、最大で100％使用も可能に

シャープ株式会社との共同研究により、ギ酸を介するする。

水素生産経路を利用した高速バイオ水素生産プロセス

本技術ではエネルギー消費が小さいバイオプロセスを開発し、従来技術と比較して2桁程度高い生産速度によってジェット燃料サイズの分岐鎖および環状前駆を達成している。この成果を基盤として、現在、経済体を非可食バイオマスを原料として生成させ、これら産業省の「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開を簡単な化学変換によってイソパラフィン、シクロパ発事業」の中で、光エネルギーに依存しない「暗発酵ラフィン、芳香族化合物に変換させる。すでにこれら水素生産」と光エネルギーを利用する「光発酵水素生の基盤技術はほぼ確立し、様々な炭素数の分岐鎖およ産」の統合による水素収率の大幅向上に向けた研究開

び環状前駆体の生産を達成しており、一部前駆体につ発に取り組んでいる（図6）。

いてはジェット燃料成分への化学変換も実証済みであ本研究開発では、京都大学およびフランス国立科学る。現在、一貫プロセスの構築に向け、各前駆体の生研究センター（CNRS）と連携して暗発酵における水産収率向上を進めている。なお、本製造技術開発の一素生成酵素発現系の開発を進め、また、暗発酵で副生環として、2017年から経済産業省の「革新的なエネする酢酸から光発酵により水素を生産する光合成細菌

ルギー技術の国際共同研究開発事業」において「様々の酢酸代謝経路を改変することにより水素収率が向上な有用化学品の低コスト・低炭素型生産を可能にするした。さらに、NRELと連携してセルロース系バイオ

革新的高汎用性バイオプロセスの開発」も実施していマス（コーンストーバー）からの水素生産における条。
る（RITE Today 2018トピックス参照）

件検討を進めている（図6）。

図5

3.3.

石油系ジェット燃料およびバイオジェット燃料の密度の比較

バイオ水素

水素は燃焼時に水しか生成しないため、究極のク

図6 セ ルロース系バイオマスからの高効率バイオ水素生産プロセスの研究開発

4.

バイオ化学品の生産技術開発

4.1.

NEDOスマートセルリーンエネルギーとして期待される。既に家庭用燃料バイオテクノロジーの急速な進展により、これまで電池や燃料電池車が市場投入されているが、現行の主利用し得なかった、潜在的な生物機能を引き出すこと要な水素製造技術は化石エネルギーを原料とするたが可能となった。この大きな技術革新の流れを背景に、め、これに由来するCO2の排出が大きな課題となる。

経済産業省は「高度に機能がデザインされ、機能の発この課題を克服するため、再生可能エネルギーから水現が制御された生物細胞」をスマートセルと定義し、素を安定的かつ安価に製造する技術について中長期的これを活用した新産業（スマートセルインダストリー）な基盤的研究が必要とされており、経済産業省のロー創出の戦略を示した。

ドマップでは、2040年頃までにCO2フリー水素供給シこれを受けてNEDOが実施する「植物等の生物を27

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２０１９用いた高機能品生産技術の開発」（スマートセルプロ菌を高効率バイオ変換技術へ適用することで、非可食ジェクト）にRITEは2016年のスタート当初から参画

バイオマスを原料としてインフルエンザ治療薬タミフし研究開発を継続している。プロジェクト参画機関は

ルの原料とされるシキミ酸、ポリマー原料として有望基盤技術チームと有効性検証チームに別れており、な4-アミノ安息香酸および医薬品や化粧品原料としてRITEは後者に属している。基盤技術チームは計算機有望な芳香族ヒドロキシ酸の高生産プロセスの確立にシミュレーション等の情報解析技術（スマートセル設成功している。

計システム）を用いて生産性向上に寄与する代謝改変を予測し提案する。RITEは提案に従い代謝改変を施し、生産検討データを取得する。得られたデータを利用して基盤技術チームは予測の精度を改善する。このような開発サイクルを繰り返すことで予測技術の精度向上と生産性向上を目指す（図7）。
これまでに複数の開発サイクルを繰り返すことで予測技術の精度向上に貢献するとともに中間目標を大きく超える生産性を達成した。2019年度以降も開発サイクルを続け、スマートセル設計システムの改善と、実用化に向けた生産株の開発を行う。

図8

様々な芳香族化合物の生合成経路

また、多種生物由来の遺伝子を導入することにより本来合成できない有用芳香族化合物についても高生産菌株の育種を進めており、前述したスマートセルプロ
ジェクトにおいて開発された技術を適用することで更なる生産性向上を図る。
5.
図7

4.2.

スマートセルプロジェクトにおける開発サイクルの概要

様々な芳香族化合物への展開

実用化への取り組み

5.1.

フェノール/芳香族化合物

現在の工業生産されているフェノールはすべて石油由来の原料から製造されている。我々は地球環境保全

芳香族化合物はポリマー等の原料として重要な基幹や温室効果ガス削減の観点からグリーン化が困難とさ工業化学品であると同時に、医薬品、機能性栄養素材、れてきたバイオ法によるフェノール製造技術開発を進

香料、化粧品等の原料となる高付加価値な化合物が数めてきた。我々の開発した2段工程法（図9）を利用多く存在する。芳香族化合物は現在、石油や天然の植した実用生産を早期に実現するため、住友ベークライ物等を原料として製造されているが、脱石油依存、環ト株式会社と共同で2014年5月にグリーンフェノー

境保全、および生産性の観点から、高効率なバイオ生ル開発株式会社（GPD）を設立した。2018年4月に産法の確立が望まれている。微生物細胞内ではフェニ
ルアラニン、チロシン、トリプトファンといったアミノ酸や葉酸（ビタミンB9）、補酵素Qなど種々の芳香族化合物が生合成されている。これらの化合物は全てシキミ酸経路と呼ばれる代謝経路から派生する（図8）。我々は適切な遺伝子組換えを施したコリネ型細図92段工程法によるグリーンフェノール生産28

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２０１９

はGPDはグリーンケミカルズ株式会社（GCC）へ社

関してもRITEは世界最高レベルの生産濃度と生産効名を変更した（トピックス参照）。

率の菌株作製に成功し、更にGEIや海外パートナー企

現在、グリーンフェノール生産技術開発で培った基業との実用化プロジェクトを本格化させ、スケール盤技術とノウハウを活用し、従来は不可能と考えられアップによるサンプル製造等にも成功し、商用生産をていた芳香族化合物などの付加価値の高い様々なグ開始した。

リーン化学品のバイオ変換技術の確立を鋭意進めており、顧客ニーズに合致したグリーン化合物の商品化を加速している。

6.

おわりに日本では2018年から5年間、年間50万KLのバイオエタノールを導入する目標が政府から発表された。
5.2.

アミノ酸

一般的なアミノ酸発酵は、微生物の培養と発酵生産に通気（酸素）を必要とし、この通気量が適切にコンGHG排出量の削減基準についても見直しが行われ、米国産のバイオエタノールなど調達先の多角化が可能になる予定である。

トロールされることが、高生産性の達成に重要である。

バイオ化学品の分野では、近年発展が著しいIoTやこれに対してRITEでは、前述したように通気の必要AIなどの情報技術（デジタル）とバイオテクノロジーのないRITEバイオプロセスを用いて、シンプルなプの融合に基づいた新プロジェクトが政府主導により開ロセス制御による省エネルギー、高生産なアミノ酸生始され、RITEも参画している（トピックス参照）。こ産プロセスの開発を進めてきた。非通気条件でアミノれらのプロジェクトでは、前述したスマートセルを利酸を生産するには、酸素を使わずに細胞内の酸化還元用したバイオリファイナリー技術が中核技術として大バランスを適正に保つ仕組みが必要であり、この目的きな役割を果たし、エネルギーに加えて工業分野（ものためには非天然型のアミノ酸生合成経路を細胞に導のづくり）にも大きな波及効果を与えることが期待さ入する必要がある。当グループでは、こうした課題をれている（図10）。

解決した非通気条件でのアミノ酸生産プロセスのコン
セ プ ト を2010年 に 学 術 雑 誌 に 発 表 し た（Appl.
Microbiol. Biotechnol. 87: 159-165. 2010.）。
R I TE は、R I TE発ベンチャー企業Gr ee n Ear t hInstitute株 式 会 社（GEI） を2011年9月 に 設 立 し、RITEバイオプロセスによるアミノ酸等のバイオ化学品やバイオ燃料の事業化を目指した共同研究を実施している（トピックス参照）。本共同研究において、アミノ酸の一種であるアラニン生産に関しては、生産菌株の開発、スケールアップ検討やコスト低減のための図10

バイオ×デジタルが変える工業/エネルギー分野の融合

各種検討を進め、2016年には、GEIの国内パートナー企業が保有する商業スケールの発酵槽を用いた試験生

当グループでは2019年も引き続き最先端バイオテ産に成功し、実用生産の段階に進んでいる。試験生産

クノロジーである「スマートセル」を中心とした革新には、当グループの研究員も参加し、現地の職員と力的なグリーンバイオプロセスの研究開発に取り組み、を合わせて成功へ導いた。RITEが開発したアラニン

低炭素社会の構築や持続可能社会の実現に貢献してい生産株を利用して生産されたL-アラニンは、2017年きたい。

8月、厚生労働省食品安全委員会による評価の結果、食品添加物としての安全性が確認され、工業用用途のみならず食品添加物としても利用可能になった。現在、海外の複数の国でのアラニン生産プロジェクトが進行中である。また、アミノ酸の一種であるバリン生産に29