寒冷地輪作とてん菜由来の糖蜜から作られる微生物セルロースナノファイバーが世界を変える
北海道大学大学院工学研究院
田島 健次

経歴
1988年沼津工業高等専門学校卒業 （1968年2月29日静岡県清水（市）生まれ）
1988年北海道大学工学部編入学（20歳）
1990年工学部応用化学科第４講座配属（学部4年生）
林治助先生：セルロースの結晶構造、パルプ酸素漂白
セルロース学会創設者
高井光男先生：セルロース誘導体の結晶構造
カナダ（Colvin博士）に留学、日本で最初にバクテリアセルロースに関する研究をスタート（1970年代）
田島：バクテリアセルロースの合成メカニズム・材料応用に関する研究（＞30年）
北海道大学大学院工学研究院応用化学部門
生物分子化学研究室 准教授（PI）
セルロース学会 理事（公財）草野河畔林トラスト財団評議委員

1

てん菜からナタデココ（微生物産生セルロースナノファイバー）

2

ナタデココ
（微生物産生セルロースナノファイバー）てん菜

フルーツから分離したセルロース
合成酢酸菌

50～100nm
セルロースナノファイバー
砂糖糖蜜

解決したい課題3
海洋ごみ問題

地球温暖化

資源枯渇・価格高騰資源枯渇やカントリーリスクによる原油高騰の影響でプラスチック価格高騰

プラスチック生産量増加に伴い、排出されるCO2量も増加予測

単位MtCO2

プラスチックによる二酸化炭素排出量推移予測

海洋ごみの65%以上がプラスチック（個数ベース）
海洋ごみでプラスチックごみが占める割合

3,000
2,500
2,000
1,500
1,00050002015

20192030

2050

海洋ごみの65%以上をプラスチックごみが占める

BCNF: 糖質からバイオプロセスによって生産 高い純度・結晶性、非常に長い繊維長、軽量・高強度、生分解性
樹脂 + BCNF ⇒ 少量添加でも大幅な物性改善が可能、高いリサイクル性、生分解性維持解決したい課題

4

生産物転換が困難
輪作体系の維持

交付金削減
国費の赤字

輪作を維持するため、生産物の転換は難しい。てんさいの減収は他作物へ影響する。

砂糖の内外格差を解消するための調整金制度を補うため国費から支援。
2021年で336億円の赤字。

てん菜は輪作における重要な基幹作物

てん菜糖蜜から高機能性高分子材料であるBCNFを大量生産 ⇒ 収入（農家・製糖会社）の増加、輪作体系の維持

講演内容

5

• はじめに• 微生物産生セルロースナノファイバー（NFBC=BCNF=Fibnano®）
合成機構：微生物はどのようにセルロースを作るのか
微生物産生セルロースナノファイバーの特徴と応用
産業応用に向けた検討• NFBCの構造・物性とその特長、応用例
構造・物性とその特長
その優れた特長を活かした応用例• 社会実装に向けた取り組み• まとめ

微生物におけるセルロースナノファイバー合成経路
グルコース（G or Glc）

セルロースリボン

6グルコン酸

GDH

グルコース

グルカン鎖
UDP-Gｌｃ

GHK
G-6-P

PGM

UGP

G６PD
（NAD)

G-1-P

PGA

PGI
酢酸菌にはﾌｫｽﾌｫﾌﾗｸ
ﾄｷﾅｰｾﾞ（PFK)が存在しない。

F-6-P
FHK

グルコン酸

×

FBP
フラクトース

G６PD（NADP)
F-D-P

ﾍﾟﾝﾄｰｽ
ﾘﾝ酸化
経路

TCA
EMP ｻｲｸﾙ

１PFK
F-１-P

フラクトース（F）

PTS

ﾌｫｽﾌｫﾄﾗﾝｽﾌｪﾗｰｾﾞ系GHK：グルコースヘキソキナーゼ； PGM：フォスフォグルコムターゼ； UGP：UDP－グルコースピロフォスフォリラーゼ；
PGI：フォスフオグルコースイソメラーゼ； FHK：フラクトースヘキソキナーゼ； G6PD：G6Pデヒドロゲナーゼ；
FBP：フラクトースビスフォスファターゼ； PGI：フォスフォグルコースイソメラーゼ； １PFK：１フォスフォフラクトースキナーゼ

微生物におけるセルロースナノファイバー合成装置
cmcax(eg) ccpAx

AB

7CD

ｂｇｌｘＡ

Sub-elementary fibrils (1.5nm)

CeSC

Terminal complex

outermembraneintermembranespace

CeSB

CeSD

inner
membrane

CeSA

各サブユニットの推定機能
CeSA: 糖転移酵素（PilZドメイン： c-di-GMP結合）
CeSB: セルロース合成の調節
CeSC: 孔の形成

UDP-Glucose UDP

Tajima et al. Cellulose, 29, 2755-2777 (2022)

CeSD: グルカン鎖の排出、結晶化

ナタデココ（微生物産生セルロースナノファイバー）ナタデココの特長
微生物産生セルロースナノファイバー• 超微細繊維幅50〜100nm（パルプ繊維の1/1000）• 微細なネットワーク構造• 高強度（高いヤング率・強度を有してる）• 他の繊維、粒子などへの結着能• 高い保水性• 高い生分解性• 高い生体適合性
不純物 無
表面修飾 無微細繊維 平滑9

微生物によるセルロースナノファイバーの調製

静置培養法

ナタデココ

材料として魅力的
大量に産業利用するために更なる生産性の向上

原料の選択
廃グリセリン、糖蜜
安価な原料の使用

10

バイオディーゼル燃料（BDF）・砂糖製造時の副生成物→ 廃グリセリン・糖蜜

BCの産業利用

新規微生物の取得

培養条件の検討

生産性の高い微生物の取得

ファーメンターによる通気撹拌培養

ファーメンターを用いたNFBCの合成

11＜培地組成 ＞HS培地
CMC 2%(w/v)

OR

培養

沈殿回収

30℃、3日間

遠心分離

ORO

水洗浄

不純物の除去ORCMC : R = H or CH2

ファーメンター
アルカリ洗浄OnCOONaカルボキシメチルセルロース (CMC)

透過型電子顕微鏡像
偏光顕微鏡像

NFBC
200 nm

収量
6g/L
100 µmKose and Tajima et al. Cellulose, 20, 2971-2979 (2013)

繊維幅 約10～15 nmの結晶性ナノファイバーセルロースナノファイバー
TEMPO酸化グラインダー
対向衝突
酵素・酸処理植物12１）軽くて強い・・・鋼鉄の1/5の軽さで5倍以上の強度がある。
２）大きな比表面積・・・250m2/g以上
３）熱変形が小さい・・・ガラスの1/50程度
４）植物由来である・・・持続型資源であり、環境負荷が小さい。

トップダウンプロセス

トップダウンプロセスとボトムアッププロセス

13

パルプなど
（セルロース性マス）

トップダウンプロセス

TEMPO酸化グラインダー
対向衝突
酵素・酸処理

直径約20nm
直径約20nm

NFBC(Fibnano®)
ボトムアッププロセス

NFC
ﾊﾞｸﾃﾘｱ

砂糖、糖蜜など（低分子バイオマス）

構造解析-原子間力顕微鏡（AFM）観察とBCNFの特徴
CM-NFBC

TOCN

1 μm

14

HP-NFBC

1 μm※ CMC 含有率 : 9.9%

1 μm

※ HPC 含有率 : 23.5%

Figure 1. AFM images of TOCN (left), CM-NFBC (center), and HP-NFBC (right) water suspensions (1 ppm, 5×5 μm).

微生物由来セルロースナノファイバー（BCNF）の特徴
原料

製造方法

繊維幅

繊維長

アスペクト比

純度

食品対応

BCNF

糖蜜など

ボトムアップ

10～30nm

＞15μm

＞1000

グルコース＞98%

可パルプ由来CNF

パルプ

トップダウン

数～数十nm～1μm～200－

一部可微生物産生セルロースナノファイバーの特性15

微生物産生セルロースナノファイバーの特性16

微生物産生セルロースナノファイバーの特性

17

微生物由来セルロースナノファイバーの特長① 低分子バイオマス（砂糖・糖蜜など）からの生産が可能
BCNF: ボトムアップによる調製 CNF: トップダウンによる調製② 繊維幅が比較的揃っている ⇒ 高い均一性、分散性③ 原料：砂糖・糖蜜、菌：フルーツ由来 ⇒ 高い安全性・生体適合性
90日間反復経口投与試験などをパス 食品、化粧品、医薬品へ④ 分散剤（CMC、HEC、HPCなど）を利用した機能化が可能 ⇒培養時：構造改変・機能性付与（両親媒性NFBCの調製など）
培養後：官能基を使った機能化（クリック反応、縮合反応など）⑤ 繊維長が長い（超高アスペクト比＞1,000）⇒ ネットワークによる分子の補足、補強効果、バインダー特性⑥機械的特性が優れている 高い引張強度・ヤング率⑦粘弾性特性が優れている 高い粘度、チキソ性、安定なゲル構造

18

19Fibnano®の応用例（医薬品応用）

ナノファイバーバイオセルロースの腹腔内化学療法への応用に関する検討望月 啓志1、安藤 英紀1、藤田 研司1,2、田島 健次3、石田 竜弘11徳島大学 大学院医歯薬研究部 薬物動態制御学分野
2大鵬薬品工業株式会社 コンシューマーヘルスケア製品戦略部
3北海道大学 大学院工学研究院 応用化学部門 高分子化学研究室

19

20

胃がん腹膜播種
胃がん細胞が胃壁を貫き、腹腔内にこぼれ落ちることで腹膜に転移した病態
胃がんステージⅣに分類⇒原発巣の外科手術＋化学療法が推奨されている

全身化学療法

腹腔内化学療法

腹腔内に投与された抗がん剤は腹膜下の毛細血管及びリンパ管より速やかに腹腔腹腔全身循環へ移行するため期待した治療効果は得られていない

腹腔内滞留性 ： 高分子 ＞ 低分子高分子であるNFBCと抗がん剤を混合することで、抗がん剤の腹腔内滞留性の改善、またそれに伴う抗腫瘍効果の増大が起こるか検討

腹膜腹膜血管血管参照）© 2016 DBCLS 統合TV / CC-BY-4.0：がん細胞：抗がん剤
2021～NFBCのDXR保持性の検討～
DXR retention rate（%）

ドキソルビシン（DXR）
10080

遠心後の様子
0.05

600.1

0.20.4 w/v %402000.05
0.10.2
0.4
NFBC concentration（w/v %）DXR結合率は、NFBCの濃度増加に伴い上昇した
0.4 w/v % NFBCにおいては、約98%のDXR結合率を示した
Ando et al. Nanomaterials DOI: 10.3390/nano11071697 (2021)21

～腹膜播種モデルマウスを用いた抗腫瘍効果の検討～

22

 動物 ： Balb/c nu/nu mice, male, 6 weeks old 細胞 ： NCI-N87-Luc（ルシフェラーゼ発現ヒト胃がん細胞）
 抗がん剤 ： DXR 0.5 mg/kg腹膜播種モデルマウス

がん細胞移植4×106 cells/mouse
Intraperitoneal（IP）投与

 群分けControl（無処置）群
1 weekFree DXR投与群
DXR/NFBC投与群（DXR溶液とNFBC（最終濃度：0.4 w/v %）を混合したもの）
 投与スケジュール
Day 07814 1521 2228 2935 36

がん細胞移植： 4×106 cells/mouse
IP投与： In vivo imaging system（IVIS）: 体重測定： 抗がん剤 IP投与
Ando et al. Nanomaterials DOI: 10.3390/nano11071697 (2021)22

～腹膜播種モデルマウスを用いた抗腫瘍効果の検討～
Day71421282335

ControlFree DXRDXR/NFBC

Control群に比べ、両群ともにルシフェラーゼ活性の低下傾向を示したが、DXR/NFBC投与群の方がより顕著だった
Ando et al. Nanomaterials DOI: 10.3390/nano11071697 (2021)23

～腹膜播種モデルマウスを用いた抗腫瘍効果の検討～
体重変化

21.5
10.50*
714212835
Days after the implantation

Relative body weight

Relative photon counts

ルシフェラーゼ活性24*P < 0.05、 **P < 0.01

1.2
1.15

**

1.1
1.05
1815222936
Days after the implantation①ルシフェラーゼ活性Free DXR投与群に比べ、DXR/NFBC投与群のルシフェラーゼ活性は有意に低下した

抗腫瘍効果Free DXR ＜ DXR/NFBC②体重変化
DXR/NFBC投与群はControl群とほぼ同様の体重変化を示し、Free DXR投与群と比較すると体重減少は有意に抑制された毒性Free DXR ＞ DXR/NFBC
Ando et al. Nanomaterials DOI: 10.3390/nano11071697 (2021)24樹脂補強材（フィラー）の応用

25

樹脂補強材（フィラー）の応用

26

樹脂補強材（フィラー）の応用

27

実用化例
食品製造の事例

https://www.shoeidokashiho.com/

草野作工様情報提供

https://www.townnews.co.jp/0607/2020/06/06/529274.html

28

基礎研究から量産化までの歩み
NEDO 助成 in 2011
(3000万円 3年間)

経産省 助成（サポイン） in 2016
(1.5億円 2年間)

小瀬博士（現東京農工大准教授）がポスドクとしてNFBCのファーメンターを用いた培養プロセスを開発
CM-NFBC

小瀬准教授

10L
ファーメンター

2012
草野作工共同研究開始

2022
量産プラント(~200 t/y)

2017
パイロットプラント(~3 t/y)

2015
特許化
2009
500mL フラスコ

29

田島、小瀬

300L ファーメンター

5,000L ファーメンター
×2

製造: 草野作工 販売: 長瀬産業
原料（糖蜜）: 北海道産テンサイ

草野作工ホームページ

https://evort.jp/enter-expo/decarbonization
https://www.kusanosk.co.jp/lab/2016

30

30

NFBC（Fibnano®）の量産化

31

2022年 1月 北海道江別

パイロット
スケール 2 t/y

商用スケール 200 t/y

寒冷地輪作とてん菜由来の糖蜜から作られる微生物セルロースナノファイバーが世界を変える

32

砂糖生産

BCNF生産食料供給
発酵原料

高機能マテリアル（食品、医薬品、工業）
マテリアルリサイクル
サーキュラーエコノミー
カーボンマイナス
ネイチャーポジティブ

輪作体系
ｚｚ

食料供給
環境保全
雇用創出

https://www.caconsul.co.jp/media/2019/06/03/8

https://www.nitten.co.jp/2023/20230124_symposium.html

カーボンクレジット

10年後に目指していること

33

NFBC 1kg 製造に必要なテンサイによるCO2 固定化量 32 kg

生活品

衣類
https://tidbits.jp/celluloid/

住居、建築
BCNF
https://oreno-tailor.com/seaislandcotton/

BCNF
BCNF
BCNF

文化

BCNF

BCNF

BCNF

BCNF

BCNFに包まれた
豊かな生活

BCNF

自動車

甜菜を含む農作物（輪作体系の維持・拡大）
BCNF

自然環境、地域経済、人々の暮らしを豊かにしながら食料、エネルギー、マテリアル（BCNF）を供給

http://www.metolose.jp/

BCNF

医薬品、医療BCNF

食品

34

お力添え宜しくお願い致します。

謝辞北海道大学： 大利徹先生、佐藤敏文先生、Yao Min先生、折原宏先生、山本拓矢先生、佐藤信一郎先生、佐藤康治先生、磯野拓也先生、大久保賢二氏
東京農工大学： 近藤哲男先生 小瀬亮太先生 東京大学： 五十嵐圭日子先生、砂川直輝先生
京都大学： 今井知也先生 苫小牧高専： 甲野裕之先生、藤田彩華先生 小樽商科大学： 沼田ゆかり先生
徳島大学： 石田竜弘先生、安藤英紀先生 宮崎大学：湯井敏文先生、宇都卓也先生
金沢大学： 高橋憲司先生 フランス植物高分子研究所： Redouane Borsali先生
神戸大学： 荻野千秋先生 北海道総合研究機構工業試験場： 瀬野修一郎様、可児浩様、細川真明様
北海道大学工学部、大学院総合化学院 卒業生・修了生
草野作工株式会社、北海道経済産業局、北海道科学技術総合振興センター、日本甜菜製糖株式会社、
大鵬薬品工業株式会社、島津製作所、株式会社リコー、利昌工業株式会社
研究費補助：中小企業庁戦略的基盤技術高度化支援事業、NEDO先導的産業技術創出事業(11B12009d)、
文部科学省（科研費基盤（B） No. 19H02549）、JST未来社会創造事業（JPMJMI21EE）、JST COI-NEXT(JPMJPF2102)、
北海道科学技術総合振興センター、北海道大学ロバスト農林水産工学国際連携研究教育拠点

この場を借りましてお礼申し上げます35