藻類・水圏微生物の機能解明と制御によるバイオエネルギー創成のための基盤技術の創出
The Cyanofactory is composed of
1) synthetic marine cyanobacterial host strains,
2) synthetic operons for the production of biofuel-related compounds, and
3) the employment of ionic liquids for downstream processing.
シアノファクトリは
１）合成生物学のコンセプトに基づき、増殖・生産・凝集・溶解が光刺激によって制御できる合成情報伝達系が組み込まれた海洋合成シアノバクテリアホスト、
２）バイオ燃料関連化合物を海洋合成シアノバクテリアホスト内にて生産するためのバイオ燃料生産合成オペロン、
３）バイオ燃料関連化合物生産用の合成オペロンが導入された海洋合成シアノバクテリアホスト藻体から目的バイオ燃料関連化合物を効率的に抽出ためにデザインされたイオン液体、およびイオン液体を用いる抽出プロセス、から構成されるバイオ燃料関連化合物生産システムです。
“Synthetic marine cyanobacterial host strains” are the engineered cyanobacteria whose functions are highly controlled by green-light and blue-light stimulation, based on synthetic biology. The signal transduction system composed of the green-light and blue-light sensors / histidine kinases, the response regulator and the riboregulator / riboswitch systems are integrated into the genome of the synthetic marine cyanobacterial host strains. This system counts light stimulation frequency and controls cell growth, compounds production, self-aggregation and auto-lysis by regulation of the gene expression necessary for each process.
「海洋合成シアノバクテリアホスト」は緑色、青色の２つの波長の光刺激によって高度に生体機能が制御可能な合成情報伝達系が組み込まれた海洋シアノバクテリアホスト株を指します。海洋合成シアノバクテリアホストには、一定の波長（緑色、青色）の光刺激をセンシングし、これに基づきを特定の遺伝子発現を制御する光センサ・ヒスチジンキナーゼおよびレスポンスレギュレータ、さらにその結果転写される合成リボレギュレータ･リボスイッチから構成される合成情報伝達系をそのゲノム上に配しています。このリボレギュレータを応用した光刺激の回数を数える遺伝子カウンタにより、増殖・生産・凝集・溶解に必要な蛋白質およびオペロンの翻訳開始領域を制御することで高度なバイオプロセス制御を実現します。
The bacterial genome are sequenced and the gene necessary for biofuel-related compounds production are determined. Based on this information, the synthetic operons for the production of biofuel-related compounds are developed.
さらに、バイオ燃料関連化合物の生合成が報告されているバクテリアのゲノム解析をもとに、当該化合物生産に必要最小限の遺伝子情報を見出し、この情報をもとにバイオ燃料関連化合物生産用の合成オペロンを開発します。
The produced biofuel-related compounds are extracted by ionic liquids(ILs).
ILs are melts of organic salts that exist in the liquid state over a wide temperature range, and sometimes below room temperature. ILs have the remarkable physicochemical properties, such as low volatility and low combustibility under high temperature and low pressure., and these properties characterize ILs as “Green solvents”. ILs which are suitable to a particular application can synthesize by tuning its properties (ex. polarity). In biofuel production, the energy requirement will be drastically decreased using ILs in biofuel recovery, extraction and purification processes.
一方、生産したバイオ燃料関連化合物は、イオン液体を用いて抽出します。
イオン液体とは、イオンのみから構成される低融点の有機塩で、室温以下で液体であるイオン液体も多数報告されています。イオン液体は、従来の分子性液体（有機溶媒）と比較して、高い熱安定性や化学的安定性を持ち、熱分解するまで揮発、燃焼しない “グリーン”な特質を持っています。さらに、極性などの物性のチューニングが容易であることから、目的に応じた溶媒を作製できます。イオン液体を抽出溶媒とする新しいプロセス工学の開発は既に始まっており、バイオ燃料の産生工程の中で、最もエネルギーを要する回収・抽出・精製プロセスにイオン液体抽出を用いることによるシステム全体の劇的な低エネルギー化が期待できます。
In the Cyanofactory, the synthetic marine cyanobacterial host strains which is introduced the biofuel-related compounds synthesis operon is cultured. The biofuel-related compounds production is induced by green-light stimulation and the products are accumulated in the cyanobacterial cells. The cyanobacteria is aggregated by 1st blue-light stimulation and auto-lysed by 2nd blue-light stimulation. The released biofuel-related compounds are extracted by the optimized IL. The biofuel-related compounds are separated by optimized process and the IL is recycled.
「シアノファクトリ」では、開発したバイオ燃料関連化合物生産合成オペロンが導入された海洋合成シアノバクテリアを培養し、緑色光刺激によりバイオ燃料関連化合物生産のフェーズへと誘導し、バイオ燃料関連化合物を最大濃度まで蓄積した海洋合成シアノバクテリア藻体を調製します。ここで１回目の青色光刺激によりシアノバクテリアの凝集を促し、藻体を濃縮します。さらに２回目の青色光刺激により藻体を溶菌させ、バイオ燃料関連化合物を放出させます。ここへ、予めデザイン・最適化されたバイオ燃料関連化合物抽出用のイオン液体により、藻体成分から効率的にバイオ燃料関連化合物を抽出します。バイオ燃料関連化合物を高濃度に含んだイオン液体は、最適化されている分離操作により分離回収されることで、目的生産物の回収とイオン液体の再生が行われます。
In this project, the synthetic marine cyanobacterial host strains are developed, and the new bioengineering technology based on synthetic biology is established. The bacterial genome analysis and development of the synthetic operons for the production of biofuel-related compounds provide the information for the production of these compounds. The development of the biofuel-related compounds recovery process using ILs proposes energy-effective downstream process.
本研究を通して、汎用性の高い、高度な機能制御が行える海洋合成シアノバクテリアホスト細胞が開発され、合成情報伝達系設計による合成生物学のコンセプトに基づく新しい生物工学の基盤技術が形成されます。バイオ燃料関連化合物生産株のゲノムが解明され、当該産物生合成系を構成する合成オペロンが開発されることで、当該産物の生産プロセスの開発のみならず、様々な生物におけるバイオ燃料関連化合物生産の開発への貴重な情報を提供します。また、シアノバクテリア藻体からのバイオ燃料関連化合物回収のためのイオン液体・回収プロセス開発により、エネルギー効率に優れた実用的な製造プロセスが提案されます。さらに、この過程で、イオン液体に関する多面的な情報が蓄積されることから、イオン液体を応用した多用なバイオダウンストリームの改革が進むことが期待されます。
