研究背景

葉緑素及びその誘導体は医学、食品、エネルギー、材料分野において広く応用されているが、これらの化合物の効率的な生産には大きな課題がある。研究者は紫色非硫光合成細菌 Rhodobacter sphaeroides を効果的な細胞工場として利用し、酵素触媒と代謝工学を組み合わせて葉緑素化合物を生産した。

研究過程

プロセス設計

研究プロセスには遺伝子編集、発酵の促進、代謝調節および酵素催化のステップが含まれる。

遺伝子編集

研究チームはCRISPRiスクリーニングを通じて R. sphaeroides 内でターゲット遺伝子heMNを特定し、これによりcoproporphyrin III（CPIII）生産の改善が可能となった。

発酵の促進

PrrAB二成分系の時間調節と連続バッチ発酵戦略の適用により、高濃度のCPIII生産が実現し、16.5グラム/リットルに達した。

代謝調節

代謝経路の調整を研究し、適応的制御システムおよびグローバル嫌気調節因子FnRLの研究を通じてCPIII生産をさらに向上させた。

酵素催化

高活性メタルキレート酵素およびcoproヘム脱炭酸酵素をスクリーニングおよび工学的に最適化し、5リットルのバイオリアクターで酵素催化を通じて様々なメタルポルフィリン（ヘムや抗腫瘍剤zincphyrinを含む）の合成を行った。

主な結果

CPIIIの生産量は連続バッチ発酵で顕著に増加し、その後の酵素催化を通じて多様なメタルポルフィリンの合成に成功した。200リットルのパイロットスケール発酵とCPIII精製プロセスを確立し、5リットルのバイオリアクタースケールの酵素催化生産によりヘムとzincphyrinを生成した。

結論

本研究は高産出ポルフィリンおよび関連化合物のバイオマニュファクチャリングの新たな経路を提供し、大規模生産の可能性を示すと同時に、工学的な細胞工場と体外酵素触媒の組み合わせが実際の応用における経済的な実現可能性を強調している。

研究の意義

この革新的な方法は、環境に優しく効率的な条件でヘムおよびその他の価値あるポルフィリン化合物を大規模に生産することに寄与し、医薬品、食品添加物、さらには合成肉などの関連産業の発展を促進するだろう。

特別な注意事項

本研究ではCRISPR干渉（CRISPRi）法と高スループットスクリーニング技術を採用し、これらの技術は微生物細胞工場のさらなる開発と最適化の基礎を築いた。また、本研究で提案された技術経済分析を通じた工業的潜在能力および財務的実現可能性の評価は、ポルフィリン生産分野に新たな指針を提供した。