成果報告書詳細
管理番号20130000000828
タイトル平成20年-平成24年度成果報告届書 新エネルギー技術研究開発 バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発(先導技術開発) 酵素糖化・効率的発酵に資する基盤研究
公開日2014/6/11
報告書年度2008 - 2012
委託先名(財)バイオインダストリー協会 (独)産業技術総合研究所 (独)製品評価技術基盤機構 花王(株) 日揮(株) Meiji Seika ファルマ(株) 長岡技術科学大学 京都大学 信州大学 東京大学 大学院 農学生命科学研究科 (独)森林総合研究所 大阪府立大学 三重大学 (財)岩手生物工学研究センター (独)農業・食品産業技術総合研究機構食品総合研究所 (独)農業生物資源研究所 熊本大学 君が淵学園崇城大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約要 約
 本報告書は、「新エネルギー技術開発/バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発」における加速的先導技術開発テーマ「酵素糖化・高効率発酵に資する基盤研究」として、平成20-24年度に行われた研究開発の成果をまとめたものである。
 セルロース系バイオマスからのバイオ燃料の実用化が望まれているが、幾つかの課題があり進展していない。本研究開発は、酵素糖化や発酵プロセスでの基盤技術を開発することによって、加速的先導技術開発の一貫プロセス開発チームの実用化に貢献し,更に「バイオ燃料技術革新計画」に記載されたベンチマーク(酵素糖化に関しては酵素使用量1 mg/g-生成糖など、エタノール発酵に関してはC6/C5同時発酵、高温耐性)を2015-2020年度までに達成することを最終目標とした。
(1)高効率糖化の実現
 バイオマス前処理の標準化と最適化、タンパク質や酵素活性定量法および糖化反応の標準化、市販酵素の機能評価を完成させ、バイオマスのハイスループット解析法を確立して糖化率や成分組成等の短時間・簡便な測定を可能とした。
 個々の成分酵素のバイオマスへの吸着と消失を明らかにした。少ない酵素量での糖化率頭打ち現象を見出し、その主要原因や他の諸因子の影響を解析した。タンパク質や界面活性剤の大量添加により、この頭打ち現象を緩和出来ることも見出した。
 これらにより、高効率糖化に必要な諸因子を明確にするとともに糖化時の酵素量の低減も可能とし、革新的糖化酵素の創成に向けた今後の課題を抽出した。
(2)革新的糖化酵素の創成
 Trichoderma reeseiの成分酵素に比べ機能的に勝る各酵素・遺伝子を探索し、統一評価を行った。その結果、T. reesei並みのものは主要成分酵素で多数見出され、β-グルコシダーゼ(BGL)では,Aspergillus aculeatusのBGL1が最高機能を示した。ヘミセルラーゼ関連では、キシラナーゼGHF10の重要性を明らかにした。
 T. reeseiの欠点は、BGL活性が低いことであるが、A. aculeatus BGL1をT. reesei PC-3-7に組込んだBGL組換え型生産菌(JN11およびJN13など)を造成し,さらにキシラナーゼの成果を活かして第2段階高機能糖化酵素(JN24)を構築した。
 この糖化酵素JN24は、欧米の市販酵素を完全に凌駕しており、15%NaOH前処理エリアンサスの併行複発酵時の酵素使用量を2.8 mg/g-生成糖まで低下させ、ベンチマーク達成への道筋も明確にした。
(3)効率的C6/C5発酵に資する遺伝子情報の獲得
 自然突然変異による実用酵母S. cerevisiae有用変異株の造成と次世代シーケンサーを利用した網羅的および比較シーケンス解析により、変異株の表現型の原因となった変異点を同定することに成功し、耐熱性・耐酸性・キシロース代謝向上に関わる遺伝子情報を取得した。特にキシロース代謝向上に関する遺伝子情報は,これまでの手法によっては取得出来なかった知見が含まれ、新たな次世代育種技術が確立出来た。また、S. cerevisiaeにキシロース代謝能を付与するキシロース代謝上流遺伝子群の発現量を制御することで、高いキシロース代謝・発酵能を酵母に付与出来ることを明らかにした。
 結論として、ベンチマーク達成への道筋を含めた本基盤研究の成果によって、2015-2020 年に第2世代バイオエタノールの実用化のための酵素糖化・発酵のプロセスが完成出来るものと期待される。
英文要約summary
This is a summary of "Basic Research and Development on Enzymatic Saccharification of Cellulosic Biomass and Biofuel Production", that was conducted in 2008-2012 in NEDO.
Contribution to integrated process development teams by providing with information obtained in this Basic R&D was targeted. Benchmarks as the final goal to be achieved by 2015-2020 were issued in "Biofuel Technology Innovation Plan" of 2008, for enzymatic saccharification: enzyme usage 1 mg/g-generated sugar, and for ethanol fermentation: C6/C5 simultaneous fermentation, etc. Clarifying the path to the benchmarks was the other target to be achieved.
(1) Realization of high efficient saccharification
Standardization for biomass conversion and a high-throughput analytical method of biomass components were established.
"Ceiling phenomenon" reaching the limit of saccharification when used in low enzyme concentrations was found. Major causes of this phenomenon and the influence of other factors were analyzed. The ceiling phenomenon can be significantly relaxed by adding a large amount of surfactant and/or protein. The various factors necessary for the efficient saccharification are also clarified.
(2) Creation of Innovative saccharification enzyme
High functional component enzymes were found having superior enzyme activity to those of Trichoderma reesei. BGL1 obtained from Aspergillus aculeatus showed the highest particular function. In hemicellulase related, the importance of xylanase GHF10 was observed for saccharification. The first phase high-performance saccharification enzyme JN11 and JN13 were produced by recombinant mutant strains constructed by incorporation of A. aculeatus BGL1 gene into T. reesei PC-3-7. The second phase enzyme JN24 was made, taking advantage of the results of xylanase. The arrival point is that the enzyme dose for simultaneous saccharification fermentation of 15% NaOH-pretreated Eryanthas spp. was lowered to 2.8 mg/g-generated sugar, which surpass the commercial enzymes in the world, and the way of benchmark was materialized.
(3) Acquisition of genetic information that will contribute to the efficient C6/C5 fermentation.
Genetic information related to heat and acid resistance, and xylose metabolism improvement was acquired by comparing genome sequence analysis using next-generation sequencer for industrial yeast Saccharomyces cerevisiae usefully reclaimed by natural mutation. Especially, the resulted genetic information on improved xylose metabolism contained a new gene that could not be obtained by techniques so far. It revealed that appropriate control of the expression of essential xylose metabolism upstream genes in S. cerevisiae can add high xylose metabolism and fermentability to yeast.
In conclusion, process of enzymatic saccharification and fermentation for the practical application of second-generation bioethanol could be completed in 2015-2020 by promoting the path to benchmark obtained in this basic research.
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