倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2021 年度（第 53 回）助成

自然科学・工学－エネルギー・環境：2 年助成（中間）奨励金№ 1489

微細藻共培養系による革新的 C1 化学プラットフォーム
山田亮祐

大阪公立大学准教授

Production of chemicals from C1 compounds by
co-culture of microalgae and yeast
Ryosuke Yamada,
Osaka Metropolitan University, Associate Professor

種々の環境問題を背景に、C1 化合物である二酸化炭素やメタノールから有用物質を生産する技術が求められている。本研究では、メタノール代謝酵母と微細藻を共培養し、C1 化合物から D-乳酸を生産する技術を開発した。
酵母 Pichia pastoris と、微細藻 Chlamydomonas reinhardtii との共培養において、pH を制御することでそれぞれの増殖能が大幅に向上し、C1 化合物から D-乳酸を生産することに成功した。
Due to various environmental problems, it is expected to produce useful chemicals from carbon dioxide andmethanol. In this study, a technology for producing D-lactic acid from C1 compounds by co-cultivating methanolmetabolizing yeast and microalgae was developed. In the co-culture of the yeast Pichia pastoris and the microalgae
Chlamydomonas reinhardtii, D-lactic acid was successfully produced from the C1 compounds. Controlling pH wasfound to be an important factor in promoting the growth of both microorganisms.

1．研究目的することで、メタノールおよび二酸化炭素から石油の価格や供給量の不安定化に伴い、石油以の高効率な有用物質生産技術の開発を目指した。

外の多様な天然炭素資源から種々の化合物を生産

具体的には、D-乳酸を生産するメタノール代謝する技術の開発が求められており、その一つとし酵 母 Pichia pastoris と、微 細 藻 Chlamydomonasて C1 化合物のメタンやメタノールが注目されてreinhardtii を共培養し、D-乳酸生産性を評価した。

いる（Pfeifenschneider et al. 2017）。また、地球温暖化や種々の環境問題を背景に、C1 化合物であ2．研究内容る二酸化炭素を種々の有用化合物に変換する技術

2.1．メタノール代謝酵母と微細藻との共培養の開発が強く求められている（Ng et al. 2017）。

研究代表者らは、光合成を行う微細藻と、光合これらの C1 化合物の有用物質への変換に、常温・成を行わない大腸菌や酵母などの従属栄養微生物常圧で反応が進行し、反応特異性が高い微生物なを共培養することで、微細藻の増殖能が向上す

どの生体触媒を用いれば、省資源かつ省エネルることを見出している（Yamada et al. 2023）。しギーな環境調和型物質生産プロセスの構築が期待かし、メタノール存在下での微細藻と従属栄養できる。

微生物との共培養については報告されていない。

本研究では、メタノールを種々の有用化合物にそこで、研究代表者らが開発した D-乳酸を生産変換可能なメタノール代謝酵母と、二酸化炭素をするメタノール代謝酵母 P. pastoris GS115/S8/Z3

種々の有用化合物に変換可能な微細藻を共培養（Yamada et al. 2019）と、微細藻 C. reinhardtii を倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2021 年度（第 53 回）助成

自然科学・工学－エネルギー・環境：2 年助成（中間）

様々な初期細胞濃度比でメタノールを含む培地で2.2．メタノール代謝酵母と微細藻との共培養における pH の影響共培養した。
図 1（A）に示すように、微細藻は共培養により2.1. において、培養後期に微細藻 C. reinhardtii

増殖速度が向上することが確認された。酵母の初細胞濃度が低下する現象が確認され、これは pH期細胞濃度が多いほど、微細藻の増殖速度が高くの低下が原因であることが確認された。そこで、なり、微細藻細胞：酵母細胞＝1：20 のとき、培初期細胞濃度比を微細藻細胞：酵母細胞＝1：10

養 68 時間後の微細藻細胞数は 8.06×106 cells/mL

として、酵母 P. pastoris と微細藻 C. reinhardtii のとなり、微細藻単培養と比較して 5.1 倍となった。

共培養を種々の pH で行った。

一方で、共培養をした場合は、培養 164 時間以降

図 2（A）に示すように、pH を制御することでに微細藻細胞の濃度が低下する現象が確認された。

培養後期に微細藻細胞濃度が減少する現象は生じ

図 1（B）に示すように、酵母細胞も共培養によなくなった。特に pH 9.0 に調整した場合、培養り増殖速度が向上することが確認された。酵母の260 時間後の微細藻細胞濃度は 22.1×106 cells/mL

初期細胞濃度が多いほど、酵母の増殖速度も高くと最も高くなり、pH を調整しない微細藻単培養となり、微細藻細胞：酵母細胞＝1：20 のとき培養比較して 2.9 倍となった。

260 時間後の酵母細胞数は 166×106 cells/mL とな

図 2（B）に示すように、pH を制御することでり、酵母単独で培養した場合の 2.9 倍となった。

酵母の増殖特性も変化した。pH 5.0 に調整した場

以上より、メタノール存在下で D-乳酸を生産す

合、培養 260 時間後の酵母細胞濃度は 211×106

るメタノール代謝酵母 P. pastoris GS115/S8/Z3 と、cells/mL と最も高くなり、pH を調整しない酵母

微細藻 C. reinhardtii を共培養すると、微細藻、酵単培養と比較して 3.7 倍となった。

母共に増殖速度が大幅に向上すること確認された。

図 2（C）に示すように、メタノール存在下で一方で、培養後期においての微細藻 C. reinhardtii

D-乳酸を生産するメタノール代謝酵母 P. pastoris

細胞濃度が低下する現象が確認された。種々の検GS115/S8/Z3 と、微細藻 C. reinhardtii を共培養す

討の結果、この現象の主要因は pH の低下にあるることにより D-乳酸の生成が確認された。D-乳ことが確認された。

酸生成量は pH の影響を受け、pH 8.0 および 9.0で特に生成量が多くなることが確認された。図 2(B)1086420050 100 150 200 250 300
時間 [h]

微細藻単培養図1共培養(1:5)

酵母細胞 [×106 cells/mL]

微細藻細胞 [×106 cells/mL](A)
200150100500共培養(1:10)

050 100 150 200 250 300
時間 [h]
共培養(1:20)

酵母単培養

メタノール存在下におけるメタノール代謝酵母と微細藻との共培養倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2021 年度（第 53 回）助成

自然科学・工学－エネルギー・環境：2 年助成（中間）(B)

2520151050050 100 150 200 250 300

酵母細胞 [×106 cells/mL]

微細藻細胞 [×106 cells/mL](A)
2502001501005000

時間 [h](C)(D)

D-乳酸（260時間）[g/L]1.4

D-乳酸 [g/L]

1.2
10.8
0.6
0.4
0.200

50 100 150 200 250 300
時間 [h]

pH 5.0図250 100 150 200 250 300
時間 [h]

pH 6.0pH 7.0

1.2
10.8
0.6
0.4
0.20

pH 8.0pH 9.0メタノール代謝酵母と微細藻との共培養における pH の影響（D）に示すように、培養 260 時間後の D-乳酸生（2017）Methanol as carbon substrate in the bio-

成量は pH 8.0 の時に 1.06 g/L と最も高くなった。

economy: Metabolic engineering of aerobic

以上より、酵母 P. pastoris GS115/S8/Z3 と、微methylotrophic bacteria for production of value-

細藻 C. reinhardtii との共培養において、pH を制

added chemicals. Biofuel Bioprod Biorefin 11:御することでそれぞれの増殖能が大幅に向上する

719.

ことを明らかにした。また、この共培養系により

3）Yamada R, Ogura K, Kimoto Y, Ogino H（2019）

D-乳酸を生産することに成功した。今後は、馴化

Toward the construction of a technologyや変異導入によるさらなる増殖能の向上や、代謝

platform for chemicals production from

工学による P. pastoris GS115/S8/Z3 のさらなる D-

methanol: D-lactic acid production from

乳酸生産能の向上を目指す。

methanol by an engineered yeast Pichia
pastoris. World J Microbiol Biotechnol 35: 37.

3．参考文献4）Yamada R, Yokota M, Matsumoto T, Hankamer

1）Ng IS, Tan SI, Kao PH, Chang YK, Chang JS

B, Ogino H（2023）Promoting cell growth and（2017） Recent developments on genetic

characterizing partial symbiotic relationships inengineering of microalgae for biofuels and bio-the co-cultivation of green alga Chlamydomonas

based chemicals. Biotechnol J 12: 1600644.

reinhardtii and Escherichia coli. Biotechnol J 18:2）Pfeifenschneider J, Brautaset T, Wendisch VF

2200099.