課題1-1 植物バイオマスからの生理活性物質の生産

研究代表者　渡辺隆司（京都大学 生存圏研究所）
共同研究者　西村裕志、Ruibo Li、木村智洋、岡部由美、宮崎達也（京都大学 生存圏研究所）, 応田涼太（北海道大学　医学研究科）、成田亮、藤田尚志 (京都大学　ウイルス・再生医科学研究所)、松田修、扇谷えり子、柏本理緒（京都府立医科大学医学研究科）

未利用バイオマスから薬効成分・生理活性物質を生産し、人の健康や安全な生活に貢献することを目的とし、ウイルス・再生医科学研究所や京都府立医科大学医学部と共同で、木質バイオマスを分解して生成する抗ウイルス物質の構造をと作用機構を解析した。その結果、サトウキビバガス由来のリグニンが構造変化を受けることによって抗ウイルス活性を示すとともに、このリグニンはウイルスを直接不活化することを示した [1-4]。また。木質バイオマスを様々なマイクロ波触媒反応で分解することにより抗腫瘍活性をもつリグニンを生産し、その作用機構を解析した。

サトウキビバガスをマイクロ波ソルボリシスにより分解して得たリグニン画分の脳心筋炎ウイルス (EMCV) に対する抗ウイルス活性 [1-4]

成果発表

1. Chihiro Kimura, Ruibo Li, Ryota Ouda, Hiroshi Nishimura, Takashi Fujita, and Takashi Watanabe, Production of antiviral substance from sugarcane bagasse by chemical alteration of its native lignin structure through microwave solvolysis, ChemSusChem, 13, in press (2020).
2. Takashi Watanabe, Conversion of Lignocellulosic Biomass for Sustainable Humanosphere, Joint symposium on Tropical Studies, Green Innovation on Tropical Forest and Forest Industries Toward Sustainable Livlihood, Berau, Indonesia, Sep 4-6 2019. (招待講演)
3. Chihiro Kimura, Ruibo Li, Ryota Ouda, Hiroshi Nishimura, Takashi Fujita and Takashi Watanabe, Production of antiviral compounds from sugarcane bagasse by microwave solvolysis, The 20th International Symposium on Wood, Fiber, and Pulping Chemistry, Tokyo, Japan, Sep. 9th – 11th, 2019
4. Chihiro Kimura, Ruibo Li, Ryota Ouda, Hiroshi Nishimura, Takashi Fujita and Takashi Watanabe, Lignin-based antiviral inhibitor produced by microwave glycerolysis from sugarcane bagasse, The 4th Asia Research Node Symposium on Humanosphere Science, Nanjing, China, Dec 26-27, 2019.
5. Ruibo Li, Ryota Ouda, Chihiro Kimura, Hiroshi Nishimura, Takashi Fujita and Takashi Watanabe, Microwave-Assisted Degradation of Woody Biomass for Application as Antiviral Agent against Encephalomycarditis Virus, Lignin Symposium, 1st International Lignin Symposium, Sapporo, Sep 13-15 2019.
6. Yumi Okabe, Eriko Ohgitani, Osam Mazda and Takashi Watanabe, The Development of Microwave Solvolysis Lignin for Antitumor Activity and Structure Analysis, The 4th Asia Research Node Symposium on Humanosphere Science, Nanjing, China, Dec 26-27, 2019.

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課題1-２　バイオマスの生体防御物質 生理活性物質の生産機構と生物工学

研究代表者　矢崎一史（京都大学 生存圏研究所）
共同研究者　棟方涼介（京都大学 生存圏研究所）、アラン ヘーン（ロレーヌ大学 農学・環境学研究室）、鈴木秀之（かずさDNA研究所）、關　光（大阪大学大学院　工学研究科）、杉山暁史（京都大学 生存圏研究所）、竹村知陽（京都大学 生存圏研究所）

植物の生産する生理活性物質には、抗癌剤のビンブラスチンやカンプトテシンのように、脂溶性の高い化合物が多い。これら脂溶性代謝産物の内、カロチノイドのようにプラスチド内に蓄積するものもあるが、細胞外に分泌されて蓄積するものも少なくない。しかし、二次代謝に関わらず植物細胞からの脂溶性の生理活性物質の生合成や分泌の機構は未だ多くの部分が解明されておらず、ここに高品位生存圏に対する基礎研究のニーズがある。特に、「プレニル化フェノール」と呼ばれる化合物のグループは、多様性に富み、ヒトに対して有益な生理活性を示す化合物が数多く見出されている。本年度は、国産植物からブラジル産のプロポリスの活性本体である植物成分アルテピリンC合成酵素遺伝子を特定し、それを利用して酵母をホストとした合成生物学を行った。なお本研究はフランスロレーヌ大学との共同研究である。

成果発表

1. Munakata, R., Kitajima, S., Nuttens, A., Tatsumi, K., Takemura, T., Ichino, T., Galati, G., Vautrin, S., Bergès, H., Grosjean, J., Bourgaud, F., Sugiyama, A., Hehn, A. Yazaki, K., Convergent evolution of the UbiA prenyltransferase family underlies the independent acquisition of furanocoumarins in plants, New Phytol., 225 (5), 2166-2182 (2020).
2. Munakata, R., Takemura, T., Tatsumi, K., Moriyoshi, E., Yanagihara, K., Sugiyama, A., Suzuki, H., Seki, H., Muranaka, T., Kawano, N., Yoshimatsu, K., Kawahara, N., Yamaura, T., Grosjean J., Bourgaud, F., Hehn, A., Yazaki, K., Isolation of Artemisia capillaris membrane-bound di-prenyltransferase for phenylpropanoids and redesign of artepillin C in yeast, Biol., 2, 384 (2019).
3. Ueoka, H., Sasaki, K., Miyawaki, T., Ichino, T., Tatsumi, K., Suzuki, S., Yamamoto, H., Sakurai, N., Suzuki, H., Shibata, D., Yazaki, K., Functional characterization of a cytosol-localized geranyl diphosphate synthase from Lithospermum erythrorhizon and its molecular evolution, Plant Physiol., in press.
4. Kusano, H., Li, H., Minami, H., Kato, Y., Tabata, H., Yazaki, K., Evolutionary developments in plant specialized metabolism, exemplified by two transferase families, Frontiers Plant Sci., 10, 794, 2019.
5. 棟方涼介、矢崎一史、プロポリスの生理活性物質アルテピリンC合成系の酵母内再構築、バイオサイエンスとインダストリー、78, 印刷中.
6. 矢崎一史、新学術領域研究「生合成リデザイン」 第６回公開シンポジウム（札幌）、「生合成工学と輸送工学を統合したプレニル化ポリフェノールの生合成リデザイン」　、令和元年10月11日、招待講演
7. 京都大学、プレスリリース、「アルテピリンC合成酵素の発見とその生産 －雑草の遺伝子から生理活性物質の生産へ－」令和元年10月25日
8. 財経新聞　「京大ら、雑草からアルテピリンC活性酵素を発見　高品質プロポリスの国産化に期待」令和元年10月27日

課題1-３　バイオマスの生体防御物質 抗腫瘍性リグナンの生物生産に向けた単位反応の構築

研究代表者　梅澤俊明　（京都大学 生存圏研究所）
共同研究者　松浦悠、小林慶亮、山村正臣、鈴木史朗、飛松祐基(京都大学 生存圏研究所)

リグナンとは二分子のフェニルプロパン単量体がC8同士で結合した化合物の総称であり、様々な有用生理活性を有している。ポドフィロトキシンは抗腫瘍性リグナンであるが、同化合物を産生する植物の希少さから、安定した生物生産系の確立が望まれている。本研究では、ポドフィロトキシンの生物生産系確立に向け、R1年度は前年度に引き続き同化合物の生合成遺伝子の取得と機能解析を進めている。特に、アオモリヒバが産生するリグナンの解析並びに及びアオモリヒバのO-メチル基転移酵素（TdOMT）組換え酵素が触媒する反応のキャラクタリゼーションを行うことにより、TdOMTは4-O-Demethylyatein OMTとして機能していることが強く示唆され、さらに、アオモリヒバではMatairesinolから4-O-Demethylyateinを経由しDeoxypodophyllotoxinへと至るリグナン生合成経路の存在が示唆された。

抗腫瘍性リグナン推定生合成経路

成果発表

1. 松浦悠、山村正臣、河合真吾、梅澤俊明、「アオモリヒバにおける抗腫瘍性リグナン生合成に関わるO-メチル基転移酵素の機能解析」、第70回日本木材学会大会（鳥取大会）、2020年3月16〜18日、鳥取大学

課題1-４　バイオマスの生体防御物質 昆虫モデルによるバイオマス(植物・微生物）の生理活性機構調査　―グルーミング行動を利用した遺伝子資源探索ー

研究代表者　柳川　綾（京都大学 生存圏研究所）
共同研究者　Coby Schal (ノースキャロライナ州立大学), Trudy Mackay (クレムソン大学),　Wen Huang (ミシガン大学), Akihiko Yqmamoto (ノースキャロライナ大学), Ayako Katsumata(ノースキャロライナ州立大学)

グルーミングは、動物が自身あるいは相互に体表をなめあうなどの衛生行動を指す。ヒトでは貧乏ゆすりなども含まれ、ストレス性心疾患から生じる異常行動に関わる。本課題では、昆虫をモデルにグルーミング機構の関連遺伝子や植物・微生物由来生理活性物質を探索することで、病気による異常行動の緩和など、医学的な治療に貢献する。平成令和1年度は、世界的なコンソーシアムであるDGRPにあるショウジョウバエ系統を用いて行動解析から、統計解析まで行い、57の一塩基多型(SNP)を候補遺伝子として検出し、進めていたRNAi系統を利用した候補遺伝子の同定作業を完了した。また、その遺伝子情報から、GeneMANIA（図表下）および共同研究者が独自に開発したソフトの両方で、遺伝子ネットワークを構築し、そのネットワークを解析した。その結果、成虫のグルーミング（衛生行動）が、幼虫期の生育環境によって決定されていることが示唆された（論文準備中）。

成果発表

1. Aya Yanagawa, Claudine Neyen, Marie-Ange Chabaud, Toshimitsu Hata, Tsuyoshi Yoshimura, Bruno Lemaitre, Frédéric Marion-Poll. Microbial cues to induce grooming in Drosophila melanogaster to resist their infection. SIP/IOBC 2019 (July 2019, Valencia)
2. Aya Yanagawa, Antoine Couto, Jean-Christophe Sandoz, Toshimitsu Hata, Aniruddha Mitra, Moutaz Ali Agha, Tsuyoshi Yoshimura, Frédéric Marion-Poll. Gustatory cues from microbe to induce grooming reflex, 26th European Drosophila Research Conference (Sep 2019, Lausanne).
3. Aya Yanagawa, Microbial cues used by Drosophila in their disease resistant grooming. Mini-symposium in 26th EDRC (Sep 2019, Lausanne)
4. Aya Yanagawa, Antoine Couto, Jean-Christophe Sandoz, Toshimitsu Hata, Aniruddha Mitra, Moutaz Ali Agha, Tsuyoshi Yoshimura, Frédéric Marion-Poll. Perception of commercial LPS by Drosophila gustatory receptors (41th meeting of Japanese society of comparative and neurophysiology, Nov 2019, Tokyo).Karim, M.R., Yanagawa, A., Ohinata, K., Soy undecapeptide induces Drosophila hind leg grooming via dopamine receptor, Biochem Biophys Res Commun. 499 (3), 454-458, 2018. doi: 0.1016/j.bbrc.2018.03.162

課題1-5　生理活性物質の輸送体の同定と有用物質生産への応用

研究代表者　杉山暁史 （京都大学 生存圏研究所）
共同研究者　荻田信次郎(県立広島大学 生命環境学部)、士反伸和（神戸薬科大学）

コーヒーノキ発芽時にカフェインが分泌されることが知られているが、コーヒーノキのカフェイン輸送体は同定されていない。本研究ではカフェイン輸送体の同定と機能解析を目的とする。また、カフェイン等の植物由来アルカロイドは、ヒトの健康に重要なものが多く含まれており、持続可能な生産が求められている。植物細胞等を用いた生理活性成分の生産を効率的に生産するために、本研究で同定するアルカロイド輸送体を生合成系遺伝子と組み合わせて導入することが可能となる。今年度はカフェインに加え、トマトの分泌するステロイドグリコアルカロイドであるトマチンの分泌についての解析も進めた。コーヒーノキのカフェインに阻害されないアデニン輸送体を同定した。

成果発表

1. Kakegawa H., Shitan N., Kusano H., Ogita S., Yazaki K., Sugiyama A. (2019) Uptake of adenine by purine permeases of Coffea canephora. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 83:1300–1305.

課題2　電磁波の生体影響

研究代表者　宮越順二、篠原真毅（京都大学　生存圏研究所）

我々の生活環境には多種多様な非電離放射線の電磁波が存在し、これら電磁波のばく露による人の健康への影響について、国際的な議論が高まっている。このような背景から、細胞や遺伝子レベルの実験により、電磁波ばく露の影響評価研究を行っている。具体的なテーマとしては、以下の研究に取り組んでいる。
・国際的な普及が見込まれる超高周波帯（ミリ波、テラヘルツ）生体影響評価
・生活環境におけるワイヤレス電力伝送システムによる生体の安全性評価　
ワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transmission）システムに使用される電磁波により、生体にどのような影響が見られるかを検索するため、生体表面からの深度を考慮して、ヒト表皮角化細胞（HaCaT細胞、ケラチノサイト）を用い、400kHzばく露による皮膚免疫応答指標であるサイトカイン産生試験、およびヒスタミン産生試験を実施した。
400kHzばく露（条件：160A/m、ICNIRPの職業者ガイドライン80A/mの2倍、1時間）を行ったHaCaT細胞において、培養液上清におけるサイトカイン（IL-6, IL-8およびGM-CSF）ならびにヒスタミンの産生影響についてELISA法により解析を行った。薬剤（イオノマイシン、または水酸化ナトリウム水溶液）によるポジティブコントールでは有意なサイトカイン産生が観察されたが、ばく露サンプルの上清ならびに細胞抽出物においてはサイトカインの上昇は観察されなかった。以上のことから、HaCaT細胞において、400kHzばく露による皮膚免疫への影響はないか極めて低いものと考えられる。
今回の実験から、400kHzばく露によるHaCaT細胞の皮膚免疫応答であるサイトカイン産生やヒスタミン産生についての変化は観察されなかった。今後、近年発がん性との関連性が示唆されているエピジェネティクス影響評価として、DNA切断を伴わない（塩基配列に変化のない）遺伝子発現制御への影響を検索するDNAメチル化とヒストン修飾試験について、電磁波の生体影響研究を進める予定である。

成果発表

1. J. Miyakoshi, H. Tonomura, S. Koyama, E. Narita, N. Shinohara, Effects of exposure to 5.8 GHz electromagnetic field on micronucleus formation, DNA strand breaks, and heat shock protein expressions in cells derived from Human eye. IEEE Xplore, Engineering in Medicine and Biology Society, 18(2): 257-260 (2019).
2. Junji Miyakoshi, Cellular Effects of Radio Frequency, Millimeter, and Terahertz Waves; in “Biological and Medical Aspects of Electromagnetic Fields, Fourth Edition” (eds. Ben Greenebaum and Frank Barnes), The Handbook of Biological Effects of Electromagnetic Fields, CRC Press (Taylor & Francis Group) London, pp 69-88. (2019)

課題3　大気質の安心・安全―人間生活圏を取り巻く大気の微量物質の動態把握―

研究代表者　高橋　けんし、矢吹　正教（京都大学 生存圏研究所）

大気微量成分（ガスおよび粒子状物質）の質的・量的な変動は、ローカルからグローバルスケールの大気環境変動に対して影響を与えるほか、ヒトへの健康影響も懸念される。本研究では、人間生活圏および森林圏に近い大気の化学的動態の変動に着目し、大気微量成分の時空間分布を精細に描写する新しい大気計測手法を開拓することを目指している。本年度は、人の健康に深く関わる人間生活圏に近い大気質診断を行う手法として、対流圏オゾンプロファイルの連続計測やエアロゾルの鉛直断面観測が可能なライダーの構築・検証実験を行うとともに、超長光路レーザー吸収分光法を用いた都市型大気汚染の観測研究を大阪府堺市にて実施したほか、堺市内のエアロゾル分布のトラバース観測を試みた。

野外観測や室内実験による大気微量成分の動態把握

成果発表

1. Yabuki, M., Y. Kawano, Y. Tottori, M. Tsukamoto, E. Takeuchi, T. Hasegawa, and T. Tsuda, A Raman lidar with a deep ultraviolet laser for continuous water vapor profiling in the atmospheric boundary layer , The 29th International Laser Radar Conference (ILRC29)( Hefei, China,) June 24-28, 2019.
2. 矢吹正教, 北藤典也, 速水 洋, 近距離のエアロゾル分布計測に対応した高距離分解能ライダー, 第36回エアロゾル科学・技術研究討論会（広島）, 2019年9月5-6日.

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