Development of yeast-based integrated bioprocess for xylitol and ethanol production from xylan-rich lignocellulosic materials
本研究は、非従来型酵母である*Sugiyamaella novakii*が、細胞外キシラーゼを産生し、統合された酵素フリーのバイオプロセスを介してキシランに富む農業残渣をキシリトールおよびエタノールへと変換することが可能な多機能バイオ触媒であることを特定し、それによって持続可能なリグノセルロースの価値向上を推進するものである。
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農場や森林から出る廃棄物が、燃やされたり腐敗したりするのではなく、甘味料や燃料のような有用な材料へと姿を変える世界を想像してみてください。これはバイオリファイニング（生物学的精製）の約束であり、植物質を有価値な製品へと転換することを目指す科学分野です。植物は、複雑なロープやネットの網のように、強靭な繊維で構成されています。この網の中で最も豊富な成分の一つが、キシランと呼ばれる物質です。これは多くの植物の細胞壁に見られる糖鎖の一種です。隠された有用な糖を取り出すために、科学者たちはまずこれらの鎖を分解しなければなりません。従来、これには高価で別々の工程が必要でした。まず酵素を使用して植物繊維を単純な糖へと切り刻み、次に微生物を用いてそれらの糖を製品へと発酵させるという手順です。この二段階のプロセスはコストがかかり、複雑です。科学者たちのより効率的な夢は、これら両方の仕事を一度に行うことができる単一の生物を見つけることです。すなわち、繊維を切り刻むことと、得られた糖を製品に変えることを同時に行うことです。「コンソリデーティッド・バイオプロセス（統合的バイオプロセス）」として知られるこのアプローチは、植物廃棄物を有用な品物へと変えるプロセスを、より安価で持続可能なものにする可能性があります。
最近の研究において、研究者たちはこの二重のタスクをこなせる天然の微生物、特にキシランに富む材料を扱える酵母を探し求めました。酵母はパン作りや醸造に使われる、細菌のような単細胞の小さな真菌ですが、一般的な種類の多くは強靭な植物繊維を分解することができません。ハンガリーとタイの科学者たちによるチームは、キシランを溶かすために必要な酵素を生成できる能力と、放出された糖をキシリトール（低カロリー甘味料）およびエタノール（一種のアルコール燃料）へと発酵させる能力の両方を持つ野生の非従来型酵母のコレクションをスクリーニングしました。11種類の異なる菌株をテストした後、彼らは「スギヤマエラ・ノヴァキ（Sugiyamaella novakii）」と呼ばれる特定の野生酵母を有力な候補として特定しました。ラボで特定のタスクを実行するために改変された多くのエンジニアリング済み微生物とは異なり、この酵母は自然界で見つかり、キシランを消化する酵素を分泌しながら、同時にキシリトールを生産するという稀な能力をすでに備えていました。
研究者たちはまず、この酵母が制御された実験室環境において、実際にキシランを分解してキシリトールを生成できることを確認しました。彼らは、この酵母が弱酸性の条件下で最もよく機能することを発見しました。これは、酸性環境が天然に不要な細菌の増殖を防ぐため、厳格な滅菌の必要性を減らすことができるという点で、有用な特性です。また、酵母に利用可能な酸素の量が、その挙動を変化させることも発見しました。酸素が十分に存在する場合、酵母は自身の細胞の成長に集中します。酸素が制限されると、酵母はエネルギーをキシリトールとエタノールの生産へとシフトさせます。酸素レベルを注意深く調整することで、チームは酵母を目的の化学物質の生産へと導くことができました。
このプロセスがより大規模に機能するかどうかを確認するため、チームは実験を小さなフラスコから、温度、酸素、混合を精密に制御できる小さなタンクである500ミリリットルのバイオリアクターへと移行しました。彼らは純粋なキシランと、一般的な農業廃棄物である大麦の殻（麦わら）という2種類の材料を用いて酵母をテストしました。バイオリアクター内では、二段階のプロセスを実施しました。まず、酵母が酵素を生成し、キシランを分解することを促進する条件を作り出しました。次に、放出された糖をキシリトールとエタノールへと変えるよう、条件を調整しました。実験は原理的に成功しました。外部から酵素を添加することなく、酵母はキシランを分解し、キシリトールとエタノールの両方を生産することに成功したのです。純粋なキシランを用いた48時間後の結果では、1リットルあたり1.1グラムのキシリトールと1.8グラムのエタノールが得られました。同じプロセスを実際の大麦の殻に対して試みたところ、酵母は依然として機能しましたが、純粋なキシランの場合よりも収量は低くなりました。
この研究は、Sugiyamaella novakii という酵母が単一ステップのバイオプロセスのための有望なツールである一方で、産業利用に向けて克服すべきハードルがまだ残されていることを浮き彫りにしています。大麦の殻から得られた製品の量は比較的少なく、植物質が酵母の酵素に対して完全にはアクセスできていなかったことを示唆しています。研究者たちは、強靭な植物繊維を分解する効率が主要なボトルネックであると指摘しました。また、酵母が最終製品を保存する代わりに、生成したばかりの糖を自身の細胞を構築するために再利用してしまうことがあることも観察されました。それにもかかわらず、この研究は、未改変の野生酵母が、植物繊維の消化と価値ある化学物質の生成という複雑なタスクを単一のステップで実行できることを証明しました。この知見は、将来の研究を最適化し、高価で別々の酵素生産ステップを必要とせずに、農業廃棄物を甘味料や燃料へと転換する、より持続可能な方法へとつながる扉を開くものです。
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