ミッション５：「高品位生存圏」
5-2）脱化石資源社会の構築（植物、バイオマス、エネルギー、材料）

飛松裕基、畑 俊充
京都大学 生存圏研究所

1. 概要
本ミッションでは、「脱化石資源社会の構築」をキーワードに、 ミッション 1-4 の研究成果をさらに発展・融合させ、生存圏科学の国際化とイノベーション創出を加速する強力な共同研究課題を推進する。
令和 5 年度は、昨年度に引き続き、4 つの主要テーマ：「バイオマス植物の分子育種と生物生産」、「革新的バイオマス変換技術」、「バイオマスをベースとした先端機能材料」、「マイクロ波エネルギー伝送技術の社会実装」を設定し、以下の研究課題 8 件を進めた。

2. バイオマス植物の分子育種と生物生産
課題 5-2-1
リグニン代謝工学に基づくバイオマス生産植物のテーラーメード育種技術の開発 （研究代表：飛松裕基；共同研究先：徳島大、奈良先端大、北海道大学、理研、産総研、香港大、高麗大学校、ウィスコンシン大、ワシントン州立大、ワーゲニンゲン大学、
上海植物生理生態研究所、インドネシア科学院、米国ブルックヘブン国立研究所、仏トゥールース生物工学研究所、スペイン高等科学研究院、他）
本 研 究 では、循 環 型 社 会 構 築 を担 うバイオマス生 産 植 物 の分 子 育 種 技 術 基 盤 の構 築 を目指 し、リグノセルロース系 バイオマスの主 要 成 分 であるリグニンを様 々に改 変 した組 換 え植 物 の作 出 と各 種 バイオマス特 性 の評 価 を国 内 外 の研 究 機 関 と共 同 で進 めている。本 年 度 は、前 年度 に引 き続 き、ゲノム編 集 等 を活 用 したリグニン生 合 成 遺 伝 子 の発 現 制 御 により、リグニンの化学 構 造 や量 を改 変 したイネやポプラ組 換 え株 の作 出 に成 功 し、細 胞 壁 （ 特 にリグニン） 生 合 成に寄 与 する新 規 遺 伝 子 群 の同 定 に成 功 するとともに、それらの発 現 を制 御 した組 換 え植 物 のバイオマスの構 造 と各 種 特 性 を明 らかにした。また、リグニン代 謝 工 学 に基 づくバイオマス生 産 植
物 の分 子 育 種 に向 け、イネ、シロイヌナズナ、ポプラ等 におけるリグニン生 合 成 機 構 の解 析 を国内 外 の研 究 グループと共 同 で進 めた。
論 文 発 表 ： [1] Lam et al., Disruption of p-Coumaroyl-CoA:monolignol transferases in rice
drasticallyalterslignincomposition.
Plant
Physiol.
inpress(http://doi.org/10.1093/plphys/kiad549). [2] Dwivedi et al., Simultaneous suppression oflignin, tricin and wall-bound phenolic biosynthesis via the expression of monolignol 4-Omethyltransferases in rice. Plant Biotechnol. J. in press (http://doi.org/10.1111/pbi.14186). [3]Lui et al., Regioselective stilbene O-methylations in Saccharinae grasses. Nat. Commun., 14,3462 (2023). [4] Zhu et al. SWATH-MS-based proteogenomic analysis reveals the involvementof alternative splicing in poplar upon lead stress. Genome Res., 33, 371-385 (2023). 関 連 論
文発表他 2 件.

課題 5-2-10
植物の脂質分泌能を利用した物質生産プラットホームの技術開発（研究代
表：矢崎一史、杉山暁史、棟方涼介；共同研究先：理化学研究所）
植 物 は、脂 溶 性 の物 質 を細 胞 外 に分 泌 してアポプラストに蓄 積 する能 力 がある。特 に表 皮 細胞 は、ワックスなど高 脂 溶 性 物 質 を細 胞 外 に分 泌 する機 能 を有 するが、これは自 らの体 を乾 燥から守 るために必 須 の能 力 でもある。通 常 、植 物 は培 養 細 胞 にすると、液 体 培 地 中 で生 育 する
ため乾 燥 から身 を守 る必 要 がなくなり、この能 力 を失 うが、ムラサキの細 胞 はこの脂 質 分 泌 能 力を維 持 しており、M9 培 地 中 では脂 溶 性 の二 次 代 謝 産 物 のシコニンを細 胞 外 に大 量 に分 泌 する。その量 は乾 重 量 あたり 10%にも及 ぶ。本 テーマではこのムラサキの持 つ脂 溶 性 物 質 分 泌 能力 を利 用 した応 用 展 開 を考 えている。本 年 度 は、一 旦 原 点 に戻 り、研 究 材 料 としているムラサキという絶 滅 危 惧 植 物 （ 2n=28） が、繁 殖 力 の強 い外 来 種 で交 配 可 能 なセイヨウムラサキ（ 2n=28）との交 雑 種 となっていないかを調 べることとした。そこで、来 歴 の明 らかな国 内 産 ムラサキの残 存
株 を全 国 に求 め、そのゲノム解 析 を行 った。そのゲノム情 報 を利 用 して、セイヨウムラサキを簡 便に区 別 することのできる PCR マーカーの開 発 を行 った。セイヨウムラサキは、脂 溶 性 物 質 である
シコニンの生 産 性 が明 らかに低 い。ゲノム情 報 の整 備 が進 展 したことは、脂 溶 性 物 質 の高 生 産を支 える遺 伝 的 原 因 を究 明 のための一 助 となるため、今 後 の研 究 発 展 につながるものと期 待 される。
論 文 発 表 ： [1] Oshikiri, H., Li, H., Yamamoto, H., Yazaki, K., Takanashim K., Comparativeanalysis of shikonin and alkannin acyltransferases reveals their functional conservation in
Boraginaceae, Plant Cell Physiol., in press (doi: 10.1093/pcp/pcad158). [2] Ito, E.,
Munakata, R., Yazaki, K., Gromwell, a purple link between traditional Japanese cultureand plant science, Plant Cell Physiol., 64 (6), 567-570 (2023) (10.1093/pcp/pcad038).

3. 革新的バイオマス変換技術
課題 5-2-3マイクロ波・生物変換プロセスによるバイオマスの化学資源化（研究代表：渡辺隆司、西村裕志；共同研究先：大陽日酸、日鉄エンジニアリング、京大化研、京大エネ研、金沢大融合研究域、タイ国立科学技術開発庁（NSTDA）、チュラロンコン大、LIPI、
Al-Azhar 大、ラオス国立大、他）
グリセロールをエタノールに高 効 率 で変 換 する酵 母 をゲノム編 集 により作 出 し、キシロースの代謝 能 を賦 与 した酵 母 との共 培 養 により、サトウキビ収 穫 廃 棄 物のマイクロ波 ソルボリシス前 処 理 物からバイオエタノールと抗 ウイルスソルボリシスリグニンを同 時 生 産 し、論 文 発 表 した [1] 。この研究 は、ミッション 5-2 の他、タイ国 立 科 学 技 術 開 発 庁 (NSTDA)、インドネシア国 立 研 究 革 新 庁（ BRIN） 、ラオス国 立 大 学 、京 都 大 学 エネルギー理 工 学 研 究 所 、エネルギー科 学 研 究 科 と共 同
実 施 し、未 踏 科 学 研究 ユニットの持 続可 能 社 会 創 造ユニットの研 究として実 施 した。BRIN との共同 研 究 では、リグニン系 界 面 活 性 剤 の合 成 を行 い論 文 発 表 した [2,3]。また、金 沢 大 学 との共 同
研 究 で、グリオキシル酸 を用 いたマイクロ波 ソルボリシスにより木 材 を溶 解 してバイオマスフィルムを作 出 し、論 文 発 表 した [4]。JASTIP プロジェクトでは、東 南 アジア地 域 からスクリーングした白色 腐 朽 菌 による環 境 汚 染 物 質 である染 料 廃 棄 物 の分 解 研 究 をインドネシア、マレーシアと行った。
論 文 発 表 ： [1] Khattab, S. M. R. et al., Efficient integrated production of bioethanol andantiviral glycerolysis lignin from sugarcane trash, Biotechnology for Biofuels and Bioproducts,
16, 1-15, (2023). [2] A. Karimah, I. K. et al., Extraction of lignin from sugarcane trash andits potency as biosurfactant, Bioresource Technology Reports, 24, 101630 (2023). [3] N.

N. Solihat et al., Synthesis of lignin-based biosurfactant derived from kraft black liquor
and its effect on enzymatic hydrolysis of pretreated biomass, Sustainable Chemistry andPharmacy, 34 101152-101152 (2023). [4] Nishiwaki-Akine, Y., Watanabe, T., Dissolution
and Hydrolysis of Wood Particles in Glyoxylic Acid without Ball Milling, ACS Sustainable
Chemistry & Engineering, 11(6) 2050-2054 (2023).

課題 5-2-4
リグノセルロースの分岐構解析を基盤とした環境調和型バイオマス変換反応の設計（研究代表：西村裕志、渡辺隆司；共同研究先：京都大エネルギー理工学研、京都大化研、群馬大学、富山県、他）
リグニンの利 活 用 はバイオマス全 体 利 用 の鍵 を握 るが、現 状 は変 性 した低 質 リグニンの熱 回収 に留 まっている。リグノセルロースの多 様 な分 岐 構 造 を解 き明 かし、分 子 構 造 に基 づいてバイオマス変 換 法 を設 計 することが、植 物 基 礎 科 学 の発 展 と、植 物 資 源 を活 かしたサステイナブル社 会 の実 現 につながる。特 にリグニン・ 多 糖 間 結 合 の解 明 は、バイオマスを化 学 品 、材 料 、エネルギーへ変 換 する植 物 バイオリファイナリーの構 築 への貢 献 が期 待 される。植 物 バイオマスを環境 低 負 荷 プロセスによって高 付 加 価 値 素 材 へ変 換 するコア技 術 を国 内 及 び国 際 特 許 出 願 した。
これまで JST 戦 略 的 創 造 研 究 推 進 事 業 先 端 的 低 炭 素 化 技 術 開 発 ALCA (JPMJAL1504)、
科 研 費 若 手 研 究 A(16H06210)により推 進 してきた。2023 年 度 は JST 未 来 社 会 創 造 事 業 、NEDO 事 業 、 複 数 の 民 間 企 業 と の 共 同 研 究 、 科 研 費 ( 挑 戦 萌 芽 20K21333, 基 盤 研 究 B21H02258)、などの支 援 を受 け研 究 開 発 を進 めている。
論 文 発 表 ： [1]Nishimura, H., Watanabe, T., Matrix-Free Laser Desorption/Ionization Mass
Spectrometry Imaging for Rapid Evaluation of Wood Biomass Conversion, Rapid Commun.
Mass Spectrom. 2024 in press, DOI: 10.1002/rcm.9716. [2] ]Nishimura, H. et al., Direct
evidence of αester linkages between lignin and glucuronoxylan that reveal the robust
heteropolymericcomplex
inplantcellwalls.
ResearchSquare(preprint),
doi.org/10.21203/rs.3.rs-1327348/v1. 招 待 講 演 6 件 、著 書 (依 頼 分 担 執 筆 )2 件 .

4.

バイオマスをベースとした先端機能材料課 題 5-2-5セルロースおよびキチンナノファイバーを用いた成形品の開発（研究 代 表 ： 矢 野 浩 之 ；共同研究先：京都市産業技術研究所）
近 年 、プラスチックを取 り巻 く環 境 は大 きく変 化 しており、世 界 的 に脱 プラスチックが声 高 に叫ばれている。しかし、プラスチックほど使 い勝 手 の良 い素 材 はなく、代 替 の利 かないものは多 い。
これらの製 品 は、より環 境 負 荷 の少 ないバイオ由 来 や生 分 解 性 プラスチックへの転 換 が求 められている。我 々は、いくつかの生 分 解 性 プラスチックに対 しアセチル化 セルロースナノファイバー（ CNF） を添 加 することで、高 い補 強 性 を得 られることを示 した。また、添 加 した CNF が生 分 解 性に与 える影 響 を室 内 土 壌 試 験 により調 査 し、分 解 中 において、CNF の存 在 が樹 脂 製 品 の形 状の保 持 に役 立 っており、また、分 解 を促 進 している可 能 性 が示 唆 された。
国内学会発表：小野和子他, CNF 補強による生分解性プラスチックの土壌試験における分解性,
第 31 回秋季大会 成形加工シンポジア‘23, 2023. 11.; 国際学会発表：Kazuko Ono et al., Effectsof CNF Addition on Biodegradation in CNF-Reinforced Biodegradable Plastics, 5 th ICC 2022+1,2023. 9.

課 題 5-2-6
バイオマスからのエネルギー貯蔵デバイスの開発（研究代表：畑俊充 、 小 嶋 浩 嗣 ； 共 同 研 究 先 ： リ グ ナ イ ト 、 イ ン ド ネ シ ア 科 学 院 LIPI、 他 ）CO2 の吸着と蓄電機能を併せ持つバイオマス炭を製造するために、木質ペレット由来ガス化残渣の賦活活性炭を製造し、二酸化炭素吸着により空孔径分布や表面積について検討した。元のガス化残渣、乾燥後 800℃・5 時間の熱処理、K2CO3 を試料重量比で 1:1、炭酸カリウムを加えた試料について 0℃における CO2 吸着等温線を得て、この吸着等温線の解析をおこなった。賦活剤を加えて熱処理を行ったガス化残渣、熱処理を行ったガス化残渣、元のガス化残渣の順で、表面積が大きい値となった。今後、賦活条件の最適化により、高 CO2 吸蔵材としてリサイクル可能で優れた放電容量をもつ木質系電気二重層キャパシタ炭素電極の製造を行う予定である。

課 題 5-2-11. 低 地 球 軌 道 で 利 用 す る た め の リ グ ニ ン 炭 の 微 細 空 隙 解 析（ 研 究 代 表：畑 俊 充 、飛 松 裕 基 、小 嶋 浩 嗣；共 同 研 究 先：神 戸 大 学 工 学 研 究 科 、長 野 工 業 高 等 専門学校、他）
宇 宙 環 境 、特 に低 軌 道 宇 宙 （ LEO） での材 料 耐 性 に着 目 し、木 質 材 料 の利 用 可 能 性 を検 討した。ブナとスギからリグニンモデル化 合 物 （ MWL） を抽 出 し、これらに原 子 状 酸 素 （ AO） 耐 性 を
試 験 した。ブナとスギの MWL を 700℃、1 時 間 窒 素 気 流 下 で加 熱 し、炭 素 化 物 を生 成 した。これに対 し、フラックス 2×10 1 5 atoms/cm 2 /s の AO 照 射 を 3Hz、15,002 ショット（ 約 83 分 間 ） 行 い、走 査 電 子 顕 微 鏡 で材 料 表 面 を観 察 した。スギ MWL 炭 素 化 物 は AO による損 傷 を受 けたが、ブナ MWL 炭 素 化 物 は高 い耐 性 を示 した。
論 文 発 表 ： T. Hata, S. Honma, T. Kajimoto, K. Oshida, Y. Tobimatsu, M. Tagawa, H. Kojima,
Subyakto, Microstructural changes in carbonized wood‐ lignin, a potential space material, inresponse to atomic oxygen irradiation, Biomass Conversion & Biorefinery, 2023.

5. マイクロ波エネルギー伝送技術の社会実装課 題 5-2-7
マ イ ク ロ 波 無 線 電 力 伝 送 に 基 づ く IoT 技 術 の 実 証 研 究（ 研 究 代 表：篠原真毅、三谷友彦；共同研究先：ミネベアアツミ）
2022 年 5 月に電波法の省令改正により 3 周波数帯での空間伝送型ワイヤレス給電(WPT)が適法となり、昨年度まで生存圏研究所と共同研究をしていたパナソニックは 2023 年に 5 件の WPT 商品の認可を受け、ビジネスを始めている。今後のより広い WPT 応用を目指し、第 2 ステップとして屋外(トンネル内インフラ点検センサー)やより高い周波数の利用等の法制化の交渉も引き続き行っており、ミネベアミツミとの共同研究では 24GHz 用レクテナの研究開発を始め、成果を得ている。
論 文 発 表 ： Tanak, Y.,et al., “Simulation and Implementation of Distributed Microwave
Wireless Power Transfer System”, IEEE Trans MTT, vol.71, no.1 , pp.102-111 , 2023,等 14
本 ; 国 際 招 待 講 演 10 件 ; 国 際 会 議 13 件 ; 受 賞 (学 生 , 国 際 等 )10 件 ; メ デ ィ ア発 表 :8, ’23.8.4, The Government of Japan, “KIZUNA” (web),など.

以上