L-アラビノースからのキシリトール発酵生産

• 担当機関: （独）農業・食品産業技術総合研究機構 食品総合研究所
• 研究期間: 2006～2010
• 研究担当者: 榊原祥清
• 発行年度: 2010
• 要約: 遺伝子組換えにより代謝経路を改変した大腸菌を用いてL-アラビノースをキシリトールに変換する技術である。培養24時間で10.5g/LのL-アラビノースから92%の収率で9.7g/Lのキシリトールを生産することができる。
• キーワード: キシリトール、L-アラビノース、代謝工学、微生物変換
• 背景・ねらい: キシリトールは低カロリー、非う蝕作用等の現代の健康志向に適した特性を持つことから、機能性甘味料として需要が増加している。現在、キシロースを化学的に還元することによりキシリトールは生産されているが、純度の高いキシリトールを得るためには、パルプやコーンコブ等のキシロース含量が元々高い原料を使用する必要がある。一方、稲わら等の未利用・低利用バイオマス中にもキシロースが多く含まれており、これらの資源からキシリトールが効率的に生産することができるようになれば、バイオマスの有効利用にも繋がることが期待される。しかし、多くのバイオマスにはキシロースに加え、L-アラビノースも多量に含まれており、化学的還元法ではL-アラビトールが副生してしまう問題がある。そこで、本研究ではL-アラビノースからキシリトールを生産する技術を開発する。

成果の内容・特徴

1. 遺伝子組換えにより、(ⅰ)L-アラビノースをL-リブロースに変換するL-アラビノースイソメラーゼ、(ⅱ)L-リブロースをL-キシルロースに変換するD-プシコース3-エピメラーゼ、(ⅲ)L-キシルロースをキシリトールに変換するL-キシルロースレダクターゼの3つの酵素遺伝子(図1)を利用することによりL-アラビノースをキシリトールに変換する新たな代謝経路を大腸菌内に構築する。さらに、変換経路の代謝中間産物の消費を防ぐために、宿主菌のL-リブロキナーゼ、L-リブロース5-リン酸4-エピメラーゼ、L-キシルロキナーゼ遺伝子を破壊する。
2. 大腸菌のL-アラビノース代謝関連プロモータを利用することにより、基質(L-アラビノース)のみで、発現誘導物質を別途添加することなく、変換経路を構成する3つの酵素を同時に発現させることが可能である(図2)。
3. この変換経路を導入した大腸菌を使用することにより、培地に加えたL-アラビノースをキシリトールに変換できる。しかし、このままではキシリトール収率(基質L-アラビノース量に対するキシリトール収率)は25%と低い(図3)。
4. 収率が低い原因として、3段階目の反応に必要な補酵素(NADH)の不足が推察される。補酵素を再生させるためにグリセロールを培地に添加することによりキシリトール収率は大幅に改善され、培養24時間で、10.5g/LのL-アラビノースから9.7g/Lのキシリトールを生産することが可能である。この場合のキシリトール収率は92%となる(図4)。

成果の活用面・留意点

1. バイオマスを原料にした効率的なキシリトール生産のためには、キシロースからキシリトールの変換も併せて行う必要がある。
2. 本菌に、さらに補酵素再生系を導入することにより、グリセロールを添加せずとも収率良くL-アラビノースをキシリトールに変換することが可能になると考えられる。

• カテゴリ: 機能性