成果報告書詳細
管理番号20110000000963
タイトル平成19年度~平成22年度成果報告書 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(先導技術開発) 耐熱性酵母による低コスト化発酵技術の研究開発
公開日2011/6/29
報告書年度2007 - 2010
委託先名国立大学法人山口大学 磐田化学工業株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約 燃料用バイオエタノール生産のためにはコスト削減が極めて重要である。エタノール発酵を高温で行うことで冷却コストを低減できるとともに、糖化酵素の最適環境も提供できる。燃料用エタノール生産の大幅な低コスト化を実現するために、新規な耐熱性酵母菌を利用した高温発酵技術を開発した。耐熱性酵母(クルイベロミセス・マーキシアヌス)は、通常の酵母(サッカロミセス・セレビシエ)と比較し、高温での増殖と発酵が可能である。本酵母の実用的エタノール生産の可能性を調べ、さらに、遺伝子操作系、酵素高発現系、および、遺伝子解析系を開発することを目標とした。  耐熱性酵母による高温エタノール発酵評価に関しては、耐熱性酵母は35℃よりも40℃でエタノール発酵の至適を示し、45℃でも発酵できた。さらに、耐熱性酵母は120 Lのパイロットプラントでの廃糖蜜からの繰り返し培養によるエタノール発酵で、40℃、24時間周期での8%以上のエタノール生産を達成した。加えて、300 Lでのタイでのパイロットプラント試験においても、現地廃糖蜜を用いて40℃においても8%以上のエタノール生産を示す繰り返し培養に成功した。既存の酵母では達成できなかった40℃における実用的な高温エタノール発酵が可能であることを示せた。  耐熱性酵母の遺伝子操作技術の開発においては、本酵母が線状DNAを直接高効率で染色体に導入することができることを発見した。これは高い非相同末端結合能力によるものである。画期的な遺伝子操作技術も本酵母は提供することになった。  耐熱性酵母の酵素発現系の開発に関しては、本酵母は異種の遺伝子を導入しても高い発現を示すことがわかった。つまり、本酵母は遺伝子発現や有用酵素の高発現に有用な酵母である。高発現プロモータも取得し糖化酵素であるアミラーゼやセルラーゼなどの有用酵素を発現する耐熱性酵母を育種した。  耐熱性酵母の遺伝子解析技術の開発に関しては、本酵母のドラフトゲノムを次世代シークエンサーにより解析し、重要な遺伝子群の整理は完了させた。さらに、遺伝子破壊技術も完成させたので、ゲノム情報を利用して遺伝子工学的に本酵母を解析することが可能となった。  結論として、本研究開発で,本酵母における実用的な高温エタノール発酵の開発から、ほぼ完璧な遺伝子操作技術の開発、他の酵母に比べて格段の高発現、ゲノム情報の整理など、予定した課題を達成し、さらに予期していなかった有用性質を見いだすことができた。本酵母はエタノール発酵への応用と基礎研究におけるモデル酵母としての将来の科学技術の発展に重要な役割をするはずである。
英文要約Title:Development of Technology for High-efficiency Conversion of Biomass and Other Energy/Development of Preparatory Basic Bioenergy Technologies/Research and Development of Cost-effective Fermentation Technology Using a Thermotolerant Yeast (FY2007-FY2010) Final Report
Cost reduction is the most important issue for the production of fuel bioethanol. High-temperature ethanol fermentation reduces cooling cost and provides optimal environment for the saccharification enzymes. For the achievement of highly effective low cost production of fuel ethanol, novel high-temperature fermentation technology using thermotolerant yeast was developed. The thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus can grow and ferment ethanol at higher temperatures compared to the conventional yeast Saccharomyces cerevisiae. In this study, we investigated the possibility of commercial ethanol production in this yeast and aimed to develop gene manipulation techniques and efficient enzyme production and gene analysis systems. For the evaluation of high-temperature ethanol fermentation, the thermotolerant yeast produced ethanol at 40oC better than 35oC, and even at 45oC. In addition, the termotolerant yeast produced ethanol over 8% in a 120 L of pilot plant from molasses by repeated batch fermentation on a 24 hr cycle at 40oC. Moreover, by using a 300 L pilot plant in Thailand, the yeast achieved over 8% ethanol production at 40oC from local molasses by the repeated fermentation. This result indicates that the yeast can be used for practical high-temperature ethanol fermentation at 40oC. This has never been succeeded by the previous yeast strains.  For the development of gene manipulation techniques, we found that this yeast can directly integrate linear DNA fragment into the chromosomes efficiently. This phenotype is caused by highly efficient non-homologous end joining ability. Consequently, this yeast provides revolutionary gene manipulation technique.  For the development of enzyme production system, this yeast showed higher foreign gene expression ability. This means that this yeast is useful for the gene expression and the production of useful enzymes. We constructed thermotolerant yeast strains that express saccharification enzymes, such as amylases and cellulases, using developed overexpression promoters.  For the development of gene analysis systems, we elucidated the draft genome by a next-generation sequencer and completed annotation of important genes. In addition, we succeeded the development of gene disruption technique in this yeast. The system allows genetic engineering with the use of genomic information. In conclusion, we achieved the development of practical high-temperature fermentation, perfect gene manipulation techniques, highly efficient gene expression system compared to the other yeast, and organized genomic information, together with the unexpected findings of the useful features in this yeast This yeast will play important roles for the application of ethanol fermentation and the development of future science and technology as a model yeast for the basic research.
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