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、（京都大学 生存圏研究所）, 応田涼太（北海道大学　医学研究科）、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（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や抗腫瘍物質を分離し、その構造と作用機構を明らかにすることを目的に研究を行った。本年度は、サトウキビバガスのマイクロ波分解物から分離したリグニン分解物について、抗ウイルス活性の発現機構を解析するとともに、各種エンベロープウイルス、ノンエンベロープウイルスに対する増殖抑制活性を分析し、論文発表した（図1）。また、木材の酸性ソルボリシス分解物から抗ウイルス物質をもつリグニン・糖結合体を分離し、論文発表した。

図１　サトウキビの搾りかすをマイクロ波反応で分解し、ウイルスと直接作用して増殖を抑制する物質を生産

成果発表

1. 論文
１） Chihiro Kimura, Seong-Wook Oh, Takashi Fujita and Takashi Watanabe, Adsorptive inhibition of enveloped viruses and nonenveloped cardioviruses by antiviral lignin produced from sugarcane bagasse via microwave glycerolysis, Biomacromolecules, 23, 3, 789–797 (2022).
2） Li, R., Ouda, R., Kimura, C., Narita, R., Nishimura, H., Fujita, T., Watanabe, T., Conversion of beech wood into antiviral lignin-carbohydrate complexes by microwave acidolysis, ACS Sustain. Chem. & Eng., 9, 28, 9248–9256 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.biomac.1c01209

2.学会発表・講演
１）渡辺隆司、植物バイオマスからの抗ウイルス物質の生産、日本繊維機械学会講演「ポストコロナ時代を見据えた繊維関連技術」、2021年10月29日、オンライン
２）渡辺隆司、植物超穏和溶解とリグニンファーストバイオリファイナリーによる持続的社会の創成、第 44 回先端繊維素材研究委員会講演会・繊維加工研究委員会関西委員会講演会　―イノベーションで切り開く脱炭素社会―、2021年12月15日、宇治、オンライン
３）木村智洋、呉成旭、藤田尚志、渡辺隆司、マイクロ波グリセロリシスによるサトウキビバガスからの抗ウイルスリグニンの生産とその作用機構の解析、第66回リグニン討論会、2021年11月4-5日、オンライン

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　杉山暁史（京都大学 生存圏研究所）、棟方涼介（京都大学 生存圏研究所）、渡辺文太（京都大学 化学研究所）、高梨功次郎（信州大学）、アラン ヘーン（ロレーヌ大学 INRA）、フレデリック　ブルゴー（PAT フランス）、山本浩文（東洋大学 生命科学部）、松井健二（山口大学大学院創成科学研究科）、肥塚崇男（山口大学大学院創成科学研究科）

脱化石資源社会における人間の健康維持や生活の質の維持向上にとって、植物の生産する多様な二次代謝産物は中心的な役割を果たすものとして大きな期待が寄せられている。特に、ヒトにとっての生理活性物質は、細胞膜を透過することが機能発揮に必須であるため、化合物の脂溶性が鍵である。そのため植物由来の脂溶性高付加価値化物の生合成酵素の探索と、その蓄積メカニズムの解明は重要な研究テーマである。本年度は、植物由来生理活性物質の宝庫であるプレニル化化合物の生合成研究に関して、長年取り組んできたO-プレニル化酵素に関してまとまった成果が出たため、そちらを中心に報告する。

プレニル化フェノールは、天然の疎水性物質として、抗腫瘍活性、抗菌活性、チロシナーゼ抑制活性など、ヒトの健康に有益な様々な活性を持つ。特にグレープフルーツには、アメリカのFDAなどが問題視する薬物代謝酵素の阻害物質が入っておりその代表的原因物質がプレニル化クマリンのベルガモチン（bergamottin）である。今回、本化合物を生成するプレニル化酵素CpPT1を同定した。本酵素は、植物O-PT遺伝子を初めて同定されたものである。今後、農業面からは、こうした遺伝子を育種マーカーに用いたベルガモチンを含まないグレープフルーツの品種改良が可能になると期待される。生理活性を利用してガン細胞を攻撃する抗がん剤の開発など、薬学領域に発展することも期待される。

成果発表

1. Ichino, T., Yazaki, K., Modes of secretion of plant lipophilic metabolites via ABCG transporter-dependent transport and vesicle-mediated trafficking, Curr. Opin. Plant Biol., 66: 102184 (2022).
2. Koeduka, T., Takarada, S., Fujii, K., Sugiyama, A., Yazaki, K., Nishihara, M., Matsui, K., Production of raspberry ketone by redirecting the metabolic flux to the phenylpropanoid pathway in tobacco plants, Metab. Eng. Commun., 13, e00180 (2021).
3. Munakata, R., Olry, A., Takemura, T., Tatsumi, K., Ichino, T., Villard, C., Kageyama, J., Kurata, T., Nakayasu, M., Jacob, F., Koeduka, T., Yamamoto, H., Moriyoshi, E., Matsukawa, T., Grosjean, J., Krieger, C., Sugiyama, A., Mizutani, M., Bourgaud, F., Hehn, A., Yazaki, K., Parallel evolution of UbiA superfamily proteins into aromatic O-prenyltransferases in plants, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 118 (17), e2022294118 (2021).

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　小林慶亮、廣田光希、山村正臣、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、R3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た。特に、ポドフィロトキシン類縁体を産生するシャクについて、デオキシポドフィロトキシン生成酵素である、2-oxogultarate-dependent dioxygenase（2ODD）型のヤテイン環化酵素遺伝子の特性解析を進めるとともに、ヤテイン生成に関わるメチル化酵素（OMT）の種間多様性の特性解明を進めた。

成果発表

1. 小林慶亮、山村正臣、熊谷真聡、小埜栄一郎、白石慧、佐竹炎、梅澤俊明、「Yateinの環化を触媒するシャク由来の新規の2-oxoglutarate-dependent dioxygenaseの同定」第38回日本植物バイオテクノロジー学会（つくば大会、オンライン）、2021年９月9〜11日

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　青木裕一（東北大学）、永野淳（龍谷大学）

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、輸送体を同定し、生合成系遺伝子と組み合わせて異種発現系に導入することを目指す。ダイズ根から分泌されるイソフラボンやソヤサポニンについて、トランスクリプトームを日周解析し、生合成系遺伝子との共発現から輸送体候補遺伝子を選抜した。トマトの圃場環境で発現が誘導される遺伝子群を見出し、その中からトマチン生合成に関与する新たな転写因子を探索した。また、共発現解析からトマチン分泌輸送体の候補遺伝子を絞り込んだ。

成果発表

1. Nakayasu M., Ohno K., Takamatsu K., Aoki Y., Yamazaki S., Takase H., Shoji T., Yazaki K., Sugiyama A. (2021) Tomato roots secrete tomatine to modulate the bacterial assemblage of the rhizosphere. Plant Physiology 186:270–284.

課題1-6　環境調和に向けた微細気泡水の利用（洗浄・節水）とその作用機序の解明

研究代表者　上田 義勝 （京都大学 生存圏研究所）
共同研究者　李 攀（Pan Li） (同済大学 環境科学与工程学院（中国））,平江　真輝 （株式会社　サイエンス）,　徳田　陽明（滋賀大学　教育学部）

一般的な大気と水を用いて作成される微細気泡水（ファインバブル水）を用いることで、洗浄効果向上や、節水効果が期待されている。本研究においては国際共同研究として微細気泡水をキーワードとして環境調和の研究に取り組み、その効果を解明していく。特に大規模実験においては、中国側と共同で行っていく。分野横断型研究として取り組み、バブルの基礎特性と化学的な観点からの作用機序解明、また実際の洗浄効果としての環境工学的な側面を各分野で解明しつつ、実際の装置メーカと共同で研究を進めてきている。

気泡からの洗浄の原理(Li, et. al., 2022)

成果発表等

1. P. Li, J. Wang, Z. Liao, Y. Ueda, K. Yoshikawa and G. Zhang, Microbubbles for Effective Cleaning of Metal Surfaces Without Chemical Agents, Langmuir, 2022/01/05
2. 佐藤 岳彦, 上田 義勝, 高橋 克幸, 高木 浩一, 微細気泡による殺菌・ウイルス不活化, 混相流（日本混相流学会誌）, 35, 2, 251-258, 2021/06
3. （招待講演）上田義勝, ファインバブルを用いた 殺菌・ウィルス不活化に関する研究事例紹介, 第 17 回ファインバブル国際シンポジウム, 2021/12/13
4. （Invited speech）Yoshikatsu Ueda, Yomei Tokuda, Yoshiharu Hidaka, Cleaning Effect of Utrafine Bubble Water Spraying by Orifice Nozzle, Kyoto University Finebubble Workshop, 2021/12/08
5. (招待講演)上田義勝, 「環境に優しい微細気泡 – 最新の応用研究事例と基礎特性 -」, 第39回京都大学産学交流会, 2021/09/27

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、都市空間におけるエアロゾルの時空間変動を捉えるための、光源近傍から観測可能な車載ライダーを構築し、検証観測を実施した。また、都市大気汚染の代表物質である窒素酸化物の排出量を直接計測する試みを、大阪府立大学と共同で実施した。

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. K.Takahashi, Atmospheric chemistry studies in forest and urban environments by applying laser spectroscopy techniques, The 1st International Conference of Lignocellulose (ICON-LIG) in conjunction with the 10th International Symposium for Sustainable Humanosphere (ISSH), 13-14 September, 2021. (invited)
2. 矢吹正教,石井侑志,三浦和彦, 車載型ライダーによる地上付近のエアロゾル水平分布観測,第39回レーザセンシングシンポジウム, 2021年9月1-3日.

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