栄養と食品科学ジャーナル
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概要

バイオガス生産の改善のためのバイオマスの酵素前処理 - ジュリアーノ・デグラッシ - 国際遺伝子工学・バイオテクノロジーセンター

ジュリアーノ・デグラッシ

メタン生成細菌を用いた嫌気性消化によるバイオマスおよび有機残留物からのバイオガス生産は、バイオ燃料の持続的生産のための重要なバイオテクノロジープロセスです。このプロセスの制限要因の 1 つは、バイオマスに含まれるエネルギーのバイオガスへの変換率が低いことです。これは主に、セルロース、ヘミセルロース、リグニンの複雑さにより、消化槽内に存在する微生物コンソーシアムによる植物細胞壁成分の代謝が困難なためです。セルロースは非常に豊富にあり、メタンへの完全な変換により、プロセスの効率が向上します。多糖類およびその他のバイオポリマーからのバイオガス生産は、加水分解、酸生成、酢酸生成、メタン生成の 4 つのステップで発生します。より多くのバイオガスを生成するには、より効率的な加水分解が重要であることは明らかです。私たちは、Bacillus pumilus からのエンドセルラーゼ (エンドグルカナーゼ) などの次の酵素を生産するための 3 つの異種発現システムを開発しました。 Xanthomonas sp.由来のセロビオヒドロラーゼ、Bacillus amyloliquefaciens由来のベータグルコシダーゼ。これら3つの酵素は、3段階で起こるセルロースの脱重合に関与することが知られています。(i)セルロースポリマーの切断とオリゴマー形成、(ii)セルロースオリゴマーからの二量体（セロビオース）の除去、(iii)セロビオース二量体からのグルコースの放出。上記の酵素をコードする3つの遺伝子はPCRによって増幅され、pTOPOにクローニングされ、正しい増幅を確認するために配列決定され、次に6xHisタグ付きタンパク質を与える発現ベクターであるpQEにクローニングされました。発現システムはE. coli M15でした。次に、6つのヒスチジンタグのおかげで、3つの酵素はシングルステップアフィニティークロマトグラフィーによって精製され、セルロース消化の実験に使用されました。 2 つの酵素は大腸菌で発現させた場合溶解しない (セロビオヒドロラーゼとベータグルコシダーゼは封入体を形成) ことを考慮して、酵素の生産には別の異種発現システム、酵母ピチア パストリスが検討されました。プロジェクトの最終目標は、バイオマスおよびセルロースを含む産業用有機残留物を、バイオガス生産用のメタン生成細菌による発酵基質に変換するために使用される前処理方法の開発です。ピチアでの異種発現はまだ開発中ですが、組み換え細菌エンドグルカナーゼの生産のための効率的なシステムは既にあります。この酵素を使用するための最適条件は決定されており、最適 pH は 6.0、最適温度は 400C です。これらの条件 (pH 6.0、温度 400C) では、酵素は 1 週間後も最大 50% の活性を維持しました。この酵素はいくつかの基質で試験され、ミクロフィブリルセルロース（シグマ）、製紙産業からの残留短繊維セルロース、トウモロコシの穂軸粉末、トウモロコシの茎粉末を、比活性251、142で解重合できることがわかった。それぞれ 75 および 70 IU/mg です。次のステップは、セルロース分解酵素による前処理の有無で、さまざまなセルロース含有有機残留物のメタン生成能を測定することです。この実験の後、前処理のコストとバイオガス生産量の増加という点で得られる利点を比較して、このプロセスの経済的持続可能性を計算します。