バイオマス分解酵素研究の最前線

―セルラーゼ・ヘミセルラーゼを中心として―

序章　

1　セルラーゼ研究,古くから現在へ　　　　神田鷹久,天野良彦

　　1.1 はじめに
　　1.2 セルラーゼ研究の推移
　　1.3　セルラーゼ研究の流れの中で興味ある話題
　　　1.3.1　Swelling factor (SF) などにみる酵素水解
　　　1.3.2　酵素による水解曲線が寝てくる現象
　　　1.3.3　セルロースミクロフィブリルと酵素作用
　　　1.3.4　セルロースの酵素分解に対する研究の方向
　　1.4　おわりに

2　バイオマス分解酵素研究の新たな展開　　　蓮沼誠久,近藤昭彦

　　2.1　はじめに―加速するバイオリファイナリー研究―
　　2.2　バイオリファイナリーに資するバイオマス分解酵素研究
　　2.3　プロセス統合化のためのバイオマス分解微生物の利用
　　2.4　おわりに

【第1編　多様なセルラーゼ・ヘミセルラーゼ】

第1章　糸状菌・担子菌の酵素　　

1　Trichoderma reesei　　　　森川　康

　　1.1　はじめに
　　1.2　T. reeseiセルラーゼの種類と機能
　　1.3　T. reeseiセルラーゼ遺伝子とその発現調節
　　1.4　バイオマス分解用高機能T. reeseiセルラーゼの創成

2 糸状菌Trichoderma reeseiにおけるセルラーゼ・へミセルラーゼ遺伝子発現機構　　　　小笠原　渉,志田洋介

　　2.1　セルロース分解性糸状菌Trichoderma reesei
　　2.2　T. reeseiにおけるセルラーゼ・ヘミセルラーゼの生産機構
　　2.3　T. reeseiにおけるセルラーゼ・ヘミセルラーゼ遺伝子の転写調節因子
　　2.4　T. reeseiにおけるセルラーゼ・キシラナーゼ遺伝子の誘導発現モデル


3　Aspergillus aculeatus のセルラーゼ系　　　　川口剛司,荒井基夫

　　3.1　Aspergillus aculeatus のセルラーゼとその利用
　　3.2　Aspergillus aculeatusのセルラーゼ遺伝子

4　Acremonium cellulolyticus　　　　　藤井達也,澤山茂樹

　　4.1　はじめに
　　4.2　A. cellulolyticus糖化酵素による植物バイオマスの糖化特性
　　4.3　A. cellulolyticusのゲノム解析および遺伝子操作技術
　　4.4　おわりに

5　担子菌(Irpex lacteus)のセルラーゼ　　　　天野良彦,野﨑功一

　　5.1　バイオマス分解酵素生産菌としての魅力
　　5.2　CBHⅠタイプのセルラーゼ
　　5.3　CBHⅡタイプのセルラーゼ
　　5.4　エンド型セルラーゼ
　　5.5　β-グルコシダーゼとセロビオース脱水素酵素

第2章　菌類の酵素　　　

1　好熱嫌気性細菌Clostridium thermocellumが生産するセルロソーム-その特徴と高活性セルロソーム開発　　　　　　小杉昭彦,森　隆

　　1.1　はじめに
　　1.2　Clostridium thermocellumのセルロソームの特徴
　　1.3　高活性Clostridium thermocellum S14株の分離と特性
　　1.4　セルラーゼ酵素複合体を生産する好熱嫌気性好アルカリ性細菌の分離
　　1.5　おわりに

2　Clostridium属細菌(中温菌)　　　三宅英雄,田丸 浩

　　2.1　はじめに
　　2.2　セルロソーム
　　2.3　セルロソームとノンセルロソームの相乗効果
　　2.4　セルロソーム生産性中温菌Clostridium属のゲノム解析
　　2.5　おわりに

3　耐熱性菌―超耐熱性セルラーゼー　　　　石川一彦

　　3.1　はじめに
　　3.2　超耐熱性セルラーゼ酵素の発見
　　3.3　超耐熱性エンド型セルラーゼの産業応用
　　3.4　超耐熱性セルラーゼの構造機能解析
　　3.5　今度の展開

4　放線菌　　金子　哲, 林　清

　　4.1　放線菌のセルロース分解酵素系
　　4.2　放線菌のヘミセルラーゼ

第3章　植物由来の細胞壁分解酵素　　　　　小西照子,竹田　匠

1　はじめに
2　植物細胞壁の構造
3　植物成長に関与する細胞壁分解酵素
4　セルロース生合成に関与する細胞壁分解酵素
5　防御応答に関与している細胞壁分解酵素
6　果実の熟成および軟化に関与する細胞壁分解酵素
7　セルロース系バイオマスの利用において

第4章　昆虫の酵素(ゴキブリ,シロアリ,カミキリムシなど)　　　渡辺裕文

1　はじめに
2　GH9エンドグルカナーゼ
　　2.1　昆虫由来GH9 EGのリコンビナント生産
3　昆虫由来GH5 EG
4　昆虫由来GH45 EG
5　GH48に属する昆虫由来酵素
6　GH28に属する昆虫由来酵素
7　β-グルコシダーゼ　
　　7.1　昆虫由来GH1 BGL
　　7.2　昆虫由来GH3 酵素
　　7.3　昆虫由来 BGLのリコンビナント発現生産と特性
8　昆虫の消化性共生微生物のセルラーゼ
9　今後の昆虫セルラーゼ研究

第5章　動物の酵素　　

1　ルーメンからの酵素　　　　　高橋潤一

　　1.1　ルーメンセルロース・ヘミセルロース分解菌
　　1.2　アンモニアストリッピングとR.flavefaciensによるセルロース・ヘミセルロースの分解モデル

2　水生生物のセルラーゼとヘミセルラーゼ　　　谷村　彩,劉　文,山田京平,豊原治彦

　　2.1　緒論　
　　2.2　外源性と内源性のセルラーゼ
　　　2.2.1　水生生物とセルラーゼ保有微生物との共生
　　　2.2.2　内源性セルラーゼを持つ水生生物
　　　2.2.3　セルラーゼの起源
　　2.3　外源性と内源性のへミセルラーゼ
　　2.4　まとめ

第6章　環境遺伝子の網羅的解析と植物バイオマス分解酵素　　　井上潤一,大熊盛也

1　はじめに
2　メタゲノム解析の方法
3　メタゲノム解析によって網羅的に取得された配列群
4　メタトランスクリプトーム解析-シロアリ共生微生物の解析例の紹介-
5　課題と展望


【第2編　関連酵素】

第7章　リグニン分解酵素　　　渡辺隆司

1　白色腐朽菌によるリグニン分解
2　リグニン分解酵素
　　2.1　リグニンペルオキシダーゼ
　　2.2　バーサタイルペルオキシダーゼ(VP)
　　2.3　マンガンペルオキシダーゼ
　　2.4　ラッカーゼ
3　リグニン分解に関与する担子菌の多様な酵素

第8章　セルロース膨潤タンパク質　　　　竹田　匠

1　植物細胞壁のゆるみを誘導するエクスパンシン
2　エクスパンシンの多様性
3　遺伝子情報を用いたエクスパンシンの探索
4　エクスパンシンによる細胞壁糖鎖の分解促進作用
5　糖化へのエクスパンシン利用

【第3編　セルラーゼの構造・機能】

第9章　セルラーゼ活性測定の標準化　　　　小林良則

1　はじめに
2　還元糖定量法の標準化
3　タンパク質の定量法
4　酵素活性・糖化能測定法
　　4.1　FPU活性測定法
　　4.2　CMCase活性測定法
　　4.3　β-Glucosidase活性測定法
　　　4.3.1　pNPG法
　　　4.3.2　Cellobiose法
　　4.4　Avicelase活性測定法
　　4.5　Xylanase活性測定法
　　4.6　β-Xylosidase活性測定法
　　4.7　バイオマス酵素糖化能測定法
5　おわりに

第10章　セルラーゼの立体構造と作用機作　　

1　セルラーゼの立体構造　　　　　　苅田修一
　　1.1　GHファミリー5(GH5)
　　1.2　GHファミリー6(GH6)
　　1.3　GHファミリー7(GH7)
　　1.4　GHファミリー8(GH8)
　　1.5　GHファミリー9(GH9)
　　1.6　GHファミリー12(GH12)
　　1.7　GHファミリー44(GH44)
　　1.8　GHファミリー45(GH45)
　　1.9　GHファミリー48(GH48)
　　1.10　GHファミリー61(GH61)
　　1.11　GHファミリー124(GH124)

2　セルラーゼとリグノセルロースの分子間相互作用　　　高田理江,渡辺隆司

　　2.1　はじめに
　　2.2　リグニンによるセルラーゼの阻害
　　2.3　リグニンへの吸着性を支配する酵素の構造
　　2.4　セルラーゼのリグノセルロースへの非生産的な吸着を軽減する添加剤
　　2.5　CBMの基質認識と前処理バイオマス表層糖鎖解析への応用
　　2.6　おわりに

3　セルラーゼのプロセッシブ性と構造の相関　　　　　五十嵐 圭日子

　　3.1　はじめに
　　3.2　セロビオヒドロラーゼはなぜセルロースをセロビオースで切り出すのか?
　　3.3　セルラーゼの構造がプロセッシビティに与える影響
　　3.4　エンド型-エキソ型とプロセッシビティの違い
　　3.5　セルロース基質がエンド型-エキソ型,プロセッシビティに与える影響
　　3.6　おわりに

4　セルラーゼの反応機構　　　　　伏信進矢

　　4.1　標準的な反応機構
　　4.2　GHファミリーと反応機構の対応
　　4.3　例外的な反応機構
　　4.4　基質の歪み

第11章　セロビオヒドロラーゼ糖結合性モジュールのドッキング解析　　　　湯井敏文,椎葉大偉

1　はじめに
2　セルロース結晶面に対するCBMの結合様式
3　セルロース結晶表面認識に関わるアミノ酸残基
4　おわりに


第12章　セルラーゼによる分解程度を指標とした基質構造のハイスループット分析　　　　　堀川祥生,杉山淳司

1　はじめに
2　近赤外分光法と多変量解析
3　前処理残渣による検量モデルの構築
4　前処理濾液による検量モデルの構築
5　展望

第13章　セルロース合成における分解酵素の役割　　　　田島健次

1　はじめに
2　バクテリアにおけるセルロース合成酵素遺伝子と合成酵素複合体(TC)
3　バクテリア由来エンドグルカナーゼの立体構造
4　セルロース合成における分解酵素の機能
5　おわりに

【第4編　ヘミセルラーゼの構造・機能】

第14章　ヘミセルラーゼの立体構造　　　　金子　哲

1　キシラナーゼの立体構造
2　α-L-アラビノフラノシダーゼの立体構造
3　α-グルクロニダーゼの立体構造

第15章　ヘミセルラーゼの作用機作　　　　　阪本龍司

1　はじめに
2　キシランの構造
　　2.1　グルクロノキシラン(O-アセチル-4-O-メチルグルクロノキシラン)
　　2.2　アラビノグルクロノキシラン(アラビノ-4-O-メチルグルクロノキシラン)
　　2.3　アラビノキシラン
3　キシラン分解酵素
　　3.1　エンド-β-1,4-キシラナーゼ(EC 3.2.1.8)
　　3.2　β-キシロシダーゼ(EC 3.2.1.37)
　　3.3　α-L-アラビノフラノシダーゼ(EC 3.2.1.55)
　　3.4　フェルラ酸エステラーゼ(EC 3.1.1.73)
　　3.5　α-D-グルクロニダーゼ(EC 3.2.1.139)
　　3.6　アセチルキシランエステラーゼ(EC 3.1.1.72)
4　キシログルカン(XG)の構造
5　XG分解酵素
　　5.1　XG特異的エンド-β-1,4-グルカナーゼ(キシログルカナーゼ;EC 3.2.1.151)
　　5.2　オリゴXG還元末端特異的セロビオヒドロラーゼ(EC 3.2.1.150)
　　5.3　オリゴXG特異的イソプリメベロース生成酵素(EC 3.2.1.120)
　　5.4　その他
6　マンナンの構造
　　6.1　直鎖マンナン
　　6.2　グルコマンナン
　　6.3　ガラクトマンナン
　　6.4　ガラクトグルコマンナン
7　マンナン分解酵素
　　7.1　エンド-β-1,4-マンナナーゼ(EC 3.2.1.78)
　　7.2　β-マンノシダーゼ(EC 3.2.1.25)
　　7.3　β-グルコシダーゼ(EC 3.2.1.21)
　　7.4　α-ガラクトシダーゼ(EC 3.2.1.22)
　　7.5　アセチル(ガラクト)グルコマンナンエステラーゼ(EC 3.1.1.6)
8　おわりに

【第5編　セルラーゼの高機能化】

第16章　人工セルロソームの構築と酵母での発現　　　　粟冠和郎,幸田勝典

1　はじめに ―人工セルロソーム構築のための分子生物学的基盤
2　人工セルロソームの構築
3　人工セルロソームの酵母への導入
　　3.1　Aga1-Aga2システムによる酵母表層上での骨格タンパク質の発現
　　3.2　酵母表層での骨格タンパク質と酵素の複合体形成
4　おわりに

第17章　無細胞合成系を用いたセルラーゼの高機能化　　　　今村千絵,池内暁紀,伊藤洋一郎

1　はじめに
2　無細胞系の最適化によるセルラーゼの活性型での生産
3　無細胞合成系によるセルラーゼの高機能化
　　3.1　改良型SIMPLEX法による分解活性の向上
　　3.2　アラニンスキャニングを利用した活性中心の最適化
　　3.3　有利変異の相加
4　おわりに


第18章　細胞表層工学を利用した最適なセルラーゼカクテルの構築　　　　中西昭仁,Bae Jungu,黒田浩一,植田充美

1　はじめに
2　バイオエタノールの現状
　　2.1　セルラーゼによるセルロースの分解
　　2.2　セルラーゼ提示酵母によるセルロースからの発酵
　　2.3　 セルラーゼカクテルの選抜
3　おわりに

第19章　モジュール再編成によるセルラーゼの高機能化　　　　梅津光央,金 渡明,中澤 光

1　はじめに
2　固相基質分解酵素の構造的特徴
3　モジュール単位での直接融合による組換え蛋白質設計
4　コヘシン―ドッケリン相互作用を利用したセルラーゼ連結
5　ビオチン―アビジン相互作用を利用したセルラーゼ連結
6　ナノ材を骨格としたセルラーゼ連結
7　おわりに

【第6編　セルラーゼ・ヘミセルラーゼの大量生産】

第20章　セルラーゼ高生産糸状菌Trichoderma reesei日本型系統菌株の開発　　　　小笠原　渉,志田洋介

1　Trichoderma reesei日本型系統樹進化への転写調節因子の関与
　　1.1　日本型系統樹の比較ゲノム解析
　　　1.1.1　カタボライトリプレッション部分的解除株
　　　1.1.2　β-グルコシダーゼを正に調節する新規転写調節因子BglR
　　1.2　日本型系統樹の進化とは?
2　日本型系統菌株のさらなる進化
　　2.1　最適比率での酵素生産技術開発
　　2.2　日本独自の最適比率での酵素生産技術開発(マイナープロモーターの利用)

第21章　Acremonium cellulolyticus由来糖質分解酵素の工業化検討　　　　村島弘一郎

1　はじめに
2　菌株育種による生産性向上検討
3　培地・培養条件の最適化による生産性向上について

第22章　Bacillus　　　　荒　勝俊

1　はじめに
2　枯草菌ゲノムの改変技術
3　枯草菌宿主の改良
　　3.1　枯草菌遺伝子の機能性評価
　　3.2　宿主ゲノムの縮小化による酵素高生産化
4　枯草菌の酵素高生産化技術
　　4.1　アミノ酸代謝系の制御によるセルラーゼ高生産化
　　4.2　分泌装置の改良によるセルラーゼ高生産化
　　4.3　細胞膜・壁の人工改変によるセルラーゼ高生産化
5　ゲノム縮小株への技術統合による高機能化


【第7編　バイオマス利用分野への展開】

第23章　バイオマス酵素糖化反応の解析　　　　小林良則

1　はじめに
2　標準前処理標品の調製
3　市販セルラーゼの特性
4　前処理物の糖化パターン
5　成分酵素の糖化における役割
6　酵素コスト低減と頭打ち現象
7　おわりに

第24章　機械的前処理バイオマスの酵素分解　　　　矢野伸一

1　はじめに
2　微粉砕による前処理
3　前処理バイオマスの酵素糖化
4　おわりに

第25章　セルロソームの回収・再利用法の開発　　　　川出雄二郎,田丸　浩

1　はじめに
2　セルロソームについて
3　セルロソーム回収・再利用
　　3.1　回収することの優位性
　　3.2　セルロソームの回収
　　3.3　セルロソームの回収・再利用
4　まとめ・今後の展望

第26章　セルラーゼ回収・再利用によるエタノール発酵の高効率化　　　　杉浦　純,趙　雅蘋

1　はじめに
2　バイオマスの糖化プロセス
3　まとめ

第27章　再生セルロースの酵素分解　　　　水野正浩

1　はじめに
2　再生セルロースとは
3　セルラーゼによるセルロースⅡの酵素分解特性
4　イオン液体処理により得られる再生セルロースの酵素分解

第28章　セルラーゼ細胞表層提示酵母を用いたバイオマス変換　　　　山田亮祐,蓮沼誠久,近藤昭彦

1　はじめに
2　統合型バイオプロセスによるエタノール生産
3　統合型バイオエタノール生産を実現する細胞表層提示技術
4　セルラーゼ細胞表層提示酵母を用いたセルロースからの統合型バイオエタノール生産
5　セルラーゼ細胞表層提示割合最適化法の開発
6　おわりに

第29章　リグニン分解酵素表層提示酵母を用いたバイオマス変換　　　　Bae Jungu,中西昭仁,黒田浩一,植田充美

1　はじめに
2　細胞表層提示酵母を用いた前処理の利点と可能性
3　ラッカーゼI提示酵母を用いたバイオマスの前処理
3.1　ラッカーゼI提示酵母の構築
3.2　ラッカーゼI提示酵母による稲わらの前処理&セルラーゼ提示酵母による糖化・発酵
4　おわりに

第30章　セルラーゼによるセルロースのナノファイバー化 　　　　 林　徳子

1　はじめに
2　従来のセルロースナノファイバー製造法
3　酵素加水分解によるセルロースの微細化
　　3.1　Trichoderma CBHI(Cel7A)の作用で見られる微細化
　　3.2　Trichoderma CBHI(Cel7A)のCBMの作用で見られる微細化
　　3.3　エンドグルカナーゼと物理的破壊の同時併用処理による微細化

第31章　ペーパースラッジを原料としたセルラーゼの生産とペーパースラッジのバイオエタノールへの変換　　　　朴　龍洙

1　はじめに
2　 PSとは
3　未処理PSを用いたセルラーゼの生産
4　 PS由来のセルラーゼを用いたPSの糖化
5　 PS由来のセルラーゼを用いたPSの同時糖化・発酵によるエタノールの生産
　　5.1　PSのSHFによるエタノール生産
　　5.2　PSの同時糖化・発酵によるエタノールの生産
　　5.3　PSの同時糖化・発酵によるエタノールの生産向上
6　おわりに

【第8編　修飾酵素としての応用展開】

第32章　洗剤への応用　　　　尾崎克也

1　はじめに
2　洗剤用アルカリセルラーゼの開発
3　高機能セルラーゼ開発と構造機能解析
4　洗剤用セルラーゼの状況と今後の展望

第33章　繊維業界でのセルラーゼの利用　　　　村島弘一郎

1　はじめに
2　デニムの洗い加工へのセルラーゼの応用(バイオウォッシュ加工)
3　天然セルロース系繊維加工へのセルラーゼの応用
　　3.1　セルラーゼの精錬工程への応用(バイオ精錬)
　　3.2　セルラーゼの仕上げ加工への応用(バイオフィニッシュ加工)

第34章　紙パルプへの応用　　　　社領正樹

1　はじめに
2　濾水性向上による,リサイクルパルプの乾燥費用削減
3　クラフトパルプの叩解エネルギー削減
4　脱インク
5　クラフトパルプの漂白促進
6　漂白ユーカリクラフトパルプの黄変防止

第35章　食品への応用　　　　森　茂治

1　はじめに
2　醸造
　　2.1　ビール
　　2.2　ワイン
3　果汁・野菜加工
4　製パン
5　最近動向
　　5.1　高齢者・介護用食品製造
　　5.2　香気前駆体(配糖体)の分解による茶,ワインの香気増強とイソフラボンの効率的アグリコン化
　　5.3　農産物からの食品生産の効率化と食品廃棄物の減量化