Beri D, York WS, Lynd LR, Peña MJ, Herring CD.
Nat Commun. 2020 Apr 22;11(1):1937.
doi: 10.1038/s41467-020-15704-z. PMID: 32321909; PMCID: PMC7176698.
セルロース系原料のバイオ燃料への転換は、セルロースの高い再結晶性のために困難である。一般的には熱化学的前処理の後、大量のセルラーゼやヘミセルラーゼ酵素を用いて可溶性糖を放出する方法で対応している。最近では、既存のトウモロコシ由来エタノール生産施設でトウモロコシ繊維からエタノールを生産する低資本の第 1.5 世代プロジェクトが注目されている。セルロースとヘミセルロースで構成される繊維は、トウモロコシカーネルの重量の約 10%を占める。既存のインフラを活用してトウモロコシ繊維を経済的にエタノールに変換できるとすると、トウモロコシの1ブッシェルあたり最大13％以上のエタノールを生産することができるようになる。
好熱性細菌Clostridium thermocellumは、最も効果的にセルロース系バイオマスを分解する細菌としてこれまでに記載されている微生物の一つである。その好熱性は、産業用バイオマス変換のために有利である可能性がある。特に、いくつかの最近の研究では、C. thermocellumは、木本および草本リグノセルロースの両方を可溶化する際に市販の真菌セルラーゼよりも2〜4倍効果的であることが報告された。しかし、C. thermocellumはリグノセルロース系バイオマスの大部分を占めるヘミセルロースに存在する糖のほとんどを発酵することができない。潜在的な共培養パートナーとして、Thermoanaerobacterium saccharolyticumは、キシランおよび他のヘミセルロース構成糖を利用することができる。また、この改変株は最大70 g/L、理論収量90％以上で、エタノールを生産できる。同様にキシランなどのヘミセルロースの構成糖を資化できる近縁の細菌Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticumは、C. thermocellumと同様に培養に最適なpHが7であり、C. thermocellumとの共培養により適していると考えられる。
トウモロコシ繊維のヘミセルロース含有量は高く、その主要な成分はグルクロノアラビノキシラン（GAX）である。GAXは、β-1,4-キシロース残基の主鎖からなり、アラビノース側鎖でしばしば置換され、より少ない範囲でグルクロン酸残基で置換されている。GAX側鎖の種類と分布は、種、組織、および発生段階の間で異なる。トウモロコシ繊維GAXは、その置換度が高いだけでなく、その置換基の多様性と複雑さのために特に分解されにくい。GAXは、植物細胞壁キシランの一般的な成分ではないL-ガラクトースとα-キシロースのような残基を持つ追加の側鎖を含む。この複雑なポリマーを分解するためには相乗的に作用する酵素のカクテルが必要である。しかし、これらの側鎖のいくつかの微細構造はまだ完全に解明されておらず、かつこの知識はそれらの分解に必要な加水分解酵素を同定するために不可欠である。
本研究では、C. thermocellumのトウモロコシ繊維発酵性能を、培養パートナーの有無の観点で評価する。C. thermocellumはオートクレーブ滅菌したトウモロコシ繊維中の90%以上を可溶化できるが、T. thermosaccharolyticumまたは他のいくつかのヘミセルロース発酵好熱性細菌は、GAXを部分的にのみ利用する。我々は新たにHerbinix spp. LL1355を分離し、そのゲノムを配列決定し、GAXの構造解析に基づいて、GAXを加水分解する6つの酵素を同定した。そのうち4種類の酵素がT. thermosaccharolyticumで発現できることが判明した。これらの酵素の添加により、T. thermosaccharolyticumのGAXの利用率が向上し、トウモロコシ繊維から生産されるエタノールの濃度が24%まで向上することを確認した。
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