成果報告書詳細
管理番号20140000000623
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 バイオマスエネルギー技術研究開発 戦略的次世代バイオマスエネルギー利用技術開発事業 (次世代技術開発) 遺伝子改良型海産珪藻による有用バイオ燃料生産技術開発
公開日2015/7/25
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人高知大学 株式会社ユーグレナ 国立大学法人東京大学大学院農学生命科学研究科 国立大学法人京都大学
プロジェクト番号P10010
部署名新エネルギー部
和文要約研究題目:遺伝子改良型海産珪藻による有用バイオ燃料生産技術開発
海水を利用して増殖可能な珪藻Rhizosolenia属等を研究開発対象とし、開発中の高発現型遺伝子操作技術を用いることにより、液体燃料として有用な炭化水素を高度に生産する能力を備えた形質転換海産微細藻類株の創生を目指し、同時にこれらの海産珪藻を高効率に培養可能なバイオリアクタならびにその最適運転条件を解明・確立することにより、バイオ燃料の生産性を向上させようとした。同時に、バイオ燃料抽出後の藻体残渣から、副産物として高付加価値を有する物質も獲得することにより、2030年の実用化に向けてコストに見合うバイオ燃料生産の実現を目指した。
得られた成果は以下の様に纏められる。
炭化水素高生産型の海産珪藻株の新規分離を目指して、蛍光色素BODIPY505/515を用い脂質の生産速度も考慮した新規スクリーニング法の開発に成功した。本法を用いることにより、既報の株と比較してその炭化水素含量が2倍程度である新規炭化水素生産海産珪藻株を見出した。また、これら海産珪藻株の遺伝子改良に必要となる、珪藻感染性ウイルスに由来する高発現型新奇プロモーターを見出すことに成功した。また、炭化水素の生産の鍵を握る酵素遺伝子の同定に成功し、上述したプロモーターの下流に、炭化水素生合成遺伝子を配した新規形質転換ベクターの開発に成功した。本ベクターを、海産珪藻に遺伝子導入することにより、形質転換株を得ることが出来た。この形質転換株の炭化水素生産速度を、野生株のそれと比較した結果、前者は後者より約1.6倍向上していることが判明した。R. setigeraが生産する炭化水素の単離・構造決定を行い、それらの組成および含量の分析を可能にした。また、遺伝子改良の対象となる炭化水素生合成関連酵素として、hydroxymethylglutaryl-CoA還元酵素、ファルネシル二リン酸合成酵素およびスクアレン合成酵素のcDNAクローニングに成功した。さらに炭化水素以外の高付加価値成分として、フコキサンチンの存在を明らかにした。珪藻Rhizosolenia属について、培養条件等の最適化研究を行った結果、本藻の炭化水素生産には改変SWM-3培地、培養温度20-26度、通常の大気中の二酸化炭素濃度などが適していることが明らかになった。これらの最適条件で炭化水素を生産させると、標準条件に比べ炭化水素生産速度が向上することが分かった。
燃料化・経済性評価に必要な珪藻藻体を確保するため、500-1000L規模で海産珪藻の屋外培養を行い、湿重量4.6 Kgの珪藻藻体を回収した。これらの藻体からメタノール蒸気法などを用いた脂質の抽出・精製を行い、乾燥藻体から重量ベースで23.3%の量にあたる燃料成分を取り出すことに成功した。並びに、海産珪藻の培養特性に関する実験データや流体シミュレーション等の技術を活用して、経済性を保ちつつ培養する方法について適した方法について考察をし、50Lスケールバイオリアクタを用いた海産珪藻の培養を行い、生産のための条件について確認をした。また、屋外培養槽の敷設方法やその他の施設の運用のための条件を確認して、燃料プラントを運転していくことができる条件設定と、それが事業として成立する前提とそのモデルケースを考案した。これらの結果から、今後P. tricornutumの増殖効率でRhizosoleniaの脂質生産能を有する株を作出することができれば、バイオ燃料の効率的な生産を行う事業が展開できる可能性を確認した。事業性については、副産物に価値を見出した際には、向上する余地も存在する。
英文要約Title: Development of a Biofuel Production System using Genetic Engineered Marine Diatoms (FY2010-FY2013)
The objective for this project is to develop a biofuel production system using the genetic engineered marine diatoms which produce hydrocarbons. The project consists of the four subthemes. The purpose of the first subtheme is to isolate a new strain which produce a larger amount of hydrocarbons than the amounts of other strains reported and to prepare genetically engineered marine diatom strains which contain larger amounts of hydrocarbons than that of the wild type strain. For this, we developed a new screening method using a fluorescent dye, BODIPY 505/525 and isolated a new strain of the genus Rhizosolenia which showed two times higher lipid contents than those of Rhizosolenia strains studied. Then, we developed several new promoters from diatom-infecting viruses which are able to drive strongly exogenous gene expression in marine diatom cells. The expression vectors which contain the new promoter, a gene of hydroxymethylglutaryl-CoA reductase (HMGR) that is a key enzyme gene for production of hydrocarbons in the mevalonate pathway and a diatom terminator were transfected into the new strain of Rhizosolenia sp. and transformants which showed resistance to antibiotics zeocin were obtained. The expression of the introduced gene was determined by RT-PCR. The transformant showed two times higher hydrocarbon synthesis rate than that of the wild type strain. The purposes of the second subtheme are estimation for productivities of valuable compounds including hydrocarbons by a marine diatom Rhizosolenia, and isolation of genes coding for the enzymes concerned with its hydrocarbon biosynthesis. It was found that the diatom produces not only terpene hydrocarbons but also commercially valuable carotenoids such as fucoxanthin. The cDNA clones of HMGR, farnesyl pyrophosphate synthase and squalene synthase were isolated. These genes can be used for genetic manipulation of the diatom. The purpose of the third subtheme is an improvement of growth rate and content ratio of hydrocarbons and lipids in the marine diatom. Culture experiments for elucidation of the optimum growth conditions clarified that a modified SWM-3 medium is suitable for rapid growth of R. setigera. R. setigera were able to grow well and produce hydrocarbons under the obtained optimal culture conditions compared with the standard culture conditions. The forth subtheme was aimed to evaluate the production cost of biofuels from marine diatoms. Marine diatoms were cultured using 50 L tubular bioreactor invented for this study, and culturing condition was optimized. Methanol gas method was used to convert diatoms to fuels. In this study, a cost-effective cultivation method for marine diatoms was established, and biofuels were successfully obtained from marine diatoms with the yield of 23.3 %. Therefore, the culturing method and operating systems in this study strongly suggests that industrial production of biofuels from microalgae is economically possible.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る