発酵による有用物質の生産 アミノ酸発酵 ビールは大麦から 味の素はサトウキビから ビール デンプンの糖化 大麦 麦芽 煮汁 エタノール 麦芽糖 ビール酵母（Saccharomyces cereviciae） 味の素 砂糖 サトウキビ 糖蜜 廃糖蜜 ショ糖 グルタミン酸 Corynebacterium glutamicum 一次代謝産物 生物が生産し，その生物の個体維持，種族維持に必 須な役割を持つ有機化合物 アミノ酸，核酸，脂肪酸など 多くの生物種に共通の生合成系 二次代謝産物 生物が生産し，その生物の個体維持，種族維持に必 須な役割を持たない有機化合物 抗生物質，色素，アルカロイドなど その生物種に独自の生合成系 グルタミン酸発酵 Corynebacterium glutamicum NH3 NADH HOOC HOOC COOH NH2 O α−オキソグルタル酸 COOH グルタメート デヒドロゲナーゼ L-グルタミン酸 グルコース ホスホエノールピルビン酸 CO2 ピルビン酸 アセチル−CoA クエン酸 オキサロ酢酸 アンモニア α−オキソグルタル酸 TCA回路 グルタミン酸 アミノ酸生合成の代謝調節 フィードバック阻害による生合成の調節 コリスミン酸 鍵酵素 L-トリプトファン アントラニル酸 合成酵素 COOH O OH COOH NH2 アントラニル酸 プレフェン酸 チロシン フィードバック阻害 フェニルアラニン COOH COOH N H NH2 協奏フィードバック阻害によるリシン生合成調節 L-メチオニン 鍵酵素 L-アスパラギン酸 HOOC OHC アスパルト キナーゼ COOH NH2 COOH L-ホモセリン β−セミアルデヒド COOH NH2 H3CS L-アスパラギン酸 HO NH2 COOH OH NH2 H3C COOH NH2 L-トレオニン H2N COOH L-リシン NH2 協奏フィードバック阻害 リプレッションによる生合成調節 コリプレッサー （トリプトファン） アポリプレッサー リプレッサー トリプトファン生合成遺伝子 プロモーター アテニュエーションによる生合成調節 ・原核生物では転写の最中に翻訳が始まる ・タミネーターヘアピンの形成により転写は終結する ヒスチジン不足 リーダーペプチド 転写 MTRVQFKHHHHHHHPD ヒスチジン生合成遺伝子 mRNA リボソーム 弱い対合 ヒスチジン過剰 MTRVQFKHHHHHHHPD タミネーターヘアピン 代謝制御発酵 前駆体添加による生産 トリプトファン発酵・・・アントラニル酸添加 アナログ耐性変異によるフィードバック調節の解除 リシン発酵・・・リシンアナログの耐性変異 栄養要求変異によるフィードバック調節の解除 リシン発酵・・・トレオニン生合成酵素の欠失変異 生産物の細胞外への排出 グルタミン酸発酵・・・ビオチン制御 前駆体添加によるトリプトファン発酵 アントラニル酸添加 L-トリプトファン アントラニル酸 合成酵素 COOH O COOH NH2 OH コリスミン酸 COOH COOH アントラニル酸 フィードバック阻害 Hansenula anomala N H NH2 前駆体添加によるトレオニン発酵 L-ホモセリン添加 L-トレオニン アスパルト キナーゼ HOOC OH COOH OHC NH2 COOH HO COOH H3C NH2 NH2 L-ホモセリン H2N COOH L-リシン NH2 協奏フィードバック阻害 Proteus rettgeri COOH NH2 アナログ耐性変異株によるトレオニン発酵 L-トレオニン 変異 HOOC OH COOH COOH OHC NH2 HO COOH H3C NH2 アスパルト キナーゼ NH2 NH2 2-ヒドロキシノルバリン OH H2N COOH L-リシン H3C NH2 協奏フィードバック阻害 Brevibacterium flavum COOH COOH NH2 アナログ耐性変異株によるリシン発酵 L-トレオニン 変異 HOOC OH COOH OHC NH2 COOH ホモセリン デヒドロゲナーゼ NH2 COOH H2N NH2 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum COOH NH2 S-(2-アミノエチル)-L-システイン L-リシン H2N COOH H3C NH2 アスパルト キナーゼ HO S COOH NH2 栄養要求変異株によるリシン発酵 ホモセリン 要求変異株 欠損 HOOC COOH OHC NH2 COOH H2N COOH ホモセリン デヒドロゲナーゼ NH2 COOH L-リシン OH H3C NH2 アスパルト キナーゼ HO L-トレオニン NH2 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum COOH NH2 アナログ耐性・栄養要求変異株によるリシン発酵 欠損 変異 HOOC COOH OHC NH2 COOH COOH ホモセリン デヒドロゲナーゼ NH2 COOH H2N NH2 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum COOH NH2 S-(2-アミノエチル)-L-システイン L-リシン H2N HO OH H3C NH2 アスパルト キナーゼ L-トレオニン ホモセリン 要求変異株 S COOH NH2 生産物の細胞外への排出 グルタミン酸発酵 Corynebacterium glutamicum 過剰のグルタミン酸 フィードバック阻害 グルタメートデヒドロゲナーゼ 生育因子ビオチンを制限して培養 膜の透過性変化 グルタミン酸を排出 細胞内グルタミン酸濃度低下 フィードバック阻害の解除 微生物酵素によるアミノ酸の生産 微生物酵素によるアスパラギン酸とアラニンの製造 フマル酸 E. coli 菌体 COOH HOOC HOOC + NH3 Pseudomonas dacunhae 菌体 アスパルターゼ COOH NH2 アスパラギン酸 β−デカルボキシラーゼ L-アスパラギン酸 H3C COOH NH2 L-アラニン 微生物酵素によるシステインの製造 Pseudomonas thiazolinophilum SCCヒドロラーゼ L-ATCヒドロラーゼ COOH COOH O S S N N H 2N H 2N DL-2-アミノチアゾリン- 4-カルボン酸 （DL-ATC） ATCラセマーゼ D-ATC + HN 2 S COOH NH2 S-カルバモイルL-システイン （SCC） HS COOH NH2 L-システイン 微生物酵素によるセリンの製造 メタノール資化性菌 Hyphomicrobium methylovorum 静止菌体 H2N COOH + HCHO HO COOH NH2 グリシン ホルムアルデヒド セリン ヒドロキシメチル トランスフェラーゼ L-セリン 微生物酵素によるアミノ酸の光学分割 Aspergillus oryzae アミノアシラーゼ H3CS COOH H3CS COOH H3CS COOH + NHCOCH3 NHCOCH3 N-アセチルD-メチオニン N-アセチルDL-メチオニン Streptomyces sp. N-アシルアミノ酸 ラセマーゼ NH2 L-メチオニン 核酸発酵 O O N HN N N H2O3PO N HN H2N H2O3PO O O HO N N HO OH イノシン酸（IMP） カツオ節の旨味成分 OH グアニル酸（GMP） シイタケの旨味成分 ・細胞膜を透過しにくい ・分解酵素の活性が高い 酵素分解法 Penicillium citrinum 5'−ホスホジエステラーゼ 酵母RNA AMP，GMP UMP，CMP Aspergillus melleus AMPデアミナーゼ AMP IMP P O 核酸発酵における 代謝調節 フィードバック 阻害 O O PP HO OH PRPP アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ P O O NH2 フィードバック 阻害 5-ホスホリボシル1-アミン HO OH COOH HOOC NH2 N N N N R P AMP アデニロコハク酸 合成酵素 NH N N HN N N SAMP N O IMP ヌクレオチダーゼ O N HN R P R P GMP レダクターゼ O O N N GMP 合成酵素 IMP デヒドロゲナーゼ N H N H2N XMP N N イノシン R ヌクレオシダーゼ ヒポキサンチン フィードバック 阻害 IMP R P GMP ヌクレオチダーゼ O N N N R P O HN N HN N HN H2N N N R グアノシン 栄養要求変異株によるイノシン発酵 PRPP アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ フィードバック 阻害 フィードバック 阻害 アデニロコハク酸 合成酵素 AMP SAMP IMP デヒドロゲナーゼ IMP XMP 欠損 アデニン 要求変異株 欠損 O イノシン N HN N Corynebacterium ammoniagenes Bacillus subtilis キサンチン 要求変異株 N R 欠損 ヌクレオシダーゼ ヒポキサンチン GMP 栄養要求・アナログ耐性変異株によるグアノシン発酵 Corynebacterium ammoniagenes，Bacillus subtilis PRPP 変異 アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ フィードバック 阻害 フィードバック 阻害 アデニロコハク酸 合成酵素 AMP SAMP IMP アデニン 要求変異株 N N N H 8-aza-GMP IMP 欠損 O N HN N HN H2N 変異 フィードバック 阻害 O GMP レダクターゼ GMP XMP 変異 欠損 GMP 合成酵素 IMP デヒドロゲナーゼ H2N N N R グアノシン 8-アザグアニン 微生物酵素によるヌクレオシドのリン酸化 O O R HO Morganella morganii 酸性ホスファターゼ N HN N N N HN R H2O3PO O O HO N N OH ピロリン酸 イノシン R=H グアノシン R = NH2 リン酸 HO OH イノシン酸 R = H グアニル酸 R = NH2 プリンヌクレオチド発酵 Corynebacterium ammoniagenes ヌクレオチダーゼ活性弱い アデニロコハク酸 合成酵素 AMP SAMP GMP 合成酵素 IMP GMP XMP 2+ Mn 2+ Mn 制限下 欠損 欠損 非感受性株 アデニン 要求変異株 培地中 O O N HN N グアニン 要求変異株 培地中 N R N HN O P N H N R P 複合細胞反応によるヌクレオチド製造 Corynebacterium ammoniagenes 菌体（界面活性剤処理） グルコース CO2 ATP イノシン イノシンキナーゼ グルコース CO2 ATP ADP IMP XMP XMPアミナーゼ E. coli 菌体（界面活性剤処理） ADP GMP 糖質発酵 ペントースリン酸経路とリボース発酵，エリトリトール発酵 キシルロース セドヘプチュロース 5ｰリン酸 7ｰリン酸 CH2OH C O HO CH HC OH CH2OPO3H2 グルコース CH2OH C O HO CH HC OH HC OH トランス HC OH CH2OPO3H2 CH2OH C O HC OH HC OH CH2OPO3H2 リブロース 5ｰリン酸 フルクトース 6ｰリン酸 要求変異株 CH2OH C O HO CH HC OH HC OH CH2OPO3H2 Trp COOH ケトラーゼ Phe HO OH OH CHO 欠損 HC OH HC OH HC OH CH2OPO3H2 リボース 5ｰリン酸 B. subtilis シキミ酸 CHO HC OH CH2OPO3H2 グリセルアルデヒド 3ｰリン酸 CHO HC OH HC OH CH2OPO3H2 エリトロース 4ｰリン酸 Aureobasidium sp. D-エリトロース CH2OH HC OH HC OH CH2OH D-リボース 医薬品合成原料 Tyr エリトリトール 甘味料 ソルボース発酵 Gluconobacter oxydans CH2OH CH2OH HC 合成 D-グルコース HO HC OH HO CH CH HC OH HC HC OH C CH2OH D-ソルビトール OH OH O CH2OH L-ソルボース 合成 L-アスコルビン酸 マンニトール発酵 Lactobacillus intermedius CH2OH C HO O CH CH2OH HO CH HO CH HC OH HC OH HC OH HC OH CH2OH D-フルクトース CH2OH D-マンニトール 医薬（利尿薬） 化粧品保湿剤 甘味料 グルコサミン発酵 Aspergillus niger 加水分解 HO トウモロコシデンプン 菌体細胞壁キチン HO HO O H2N OH D-グルコサミン 植物から生まれた発酵グルコサミン ？ 健康補助食品 植物由来のグルコサミン ？？ 植物由来の原料から抽出したグルコサミン ？？？ 微生物酵素による糖質の生産 フルクトースの製造 HO O OH HO D-グルコース グルコースイソメラーゼ Streptomyces griseofuscus OH HO D-フルクトース 甘味料 フラクトオリゴ糖の製造 HO O HO α-D-グルコース HO HO HO O O β-D-フルクトース HO スクロース O インベルターゼ HO OH O Aspergillus niger HO β-D-フルクトース OH OH 1-ケストース（フラクトオリゴ糖の1成分） 甘味料 腸内でビフィズス菌を増殖 トレハロースの製造 HO HO HO O α-D-グルコース HO デンプン マルトオリゴシル マルトオリゴシル トレハロース トレハロース 合成酵素 トレハヒドロラーゼ Arthrobacter sp. HO HO HO O α-D-グルコース O HO トレハロース 甘味料 保湿剤 タンパク質保護剤 シクロデキストリンの製造 HO O Bacillus stearothermophilus O HO O HO HO HO シクロマルトデキストリン グルカノトランスフェラーゼ デンプン O OH HO O HO OH O O HO 内部：疎水性 外部：親水性 OH OH OH O 疎水性の物質を包接 → 水に溶解 不安定物質を保護 α-D-グルコース×6 α-D-グルコース×7 α-D-グルコース×8 O OH OH OH HO O O O OH αｰシクロデキストリン βｰシクロデキストリン γｰシクロデキストリン イソマルチュロースの製造 Protaminobacter rubrum α－グルコシル トランスフェラーゼ スクロース HO HO HO O α-D-グルコース HO O O OH D-フルクトース HO OH HO イソマルチュロース（パラチノース） 虫歯菌（Streptococcus mutans）に利用されにくい甘味料 発酵による多糖生産 多糖類 構成糖 発酵微生物 用途 デキストラン α-1,6ｰグルカン Leuconostoc mesenteroides 血漿増量剤 クロマトグラフィー用樹脂 プルラン α-1,4/1,6ｰグルカン Aureobasidium pullulans 食品，製剤用のフィルム， 化粧品 ヒアルロン酸 D-グルクロン酸 Streptococcus zooepidemicus 化粧品，眼科手術補助剤， 整形外科用注射剤，創傷の被覆剤 N-アセチル-D-グルコサミン セルロース β-1,4ｰグルカン Acetobacter xylinum スピーカーの振動板 キサンタンガム D-グルコース，D-マンノース Xanthomonas campestris 化粧品，アイスクリーム用増粘剤 D-グルクロン酸 その他の有用物質の生産 アルコール発酵 Saccharomyces cerevisiae 糖質原料 （サトウキビ，テンサイ） デンプン質原料 （トウモロコシ，麦） 糖化 エタノール 酵素 アセトン・ブタノール発酵 デンプン エタノール Clostridium acetobutylicum ピルビン酸 アセトアセチルCoA エタノール アセトン ブタノール 有機酸発酵 生産物 発酵微生物 用途 クエン酸 Aspergillus niger 医薬，酸味料 グルコン酸 Aspergillus niger 医薬，食品用pH調整剤 ピルビン酸 Torulopsis glabrata 医薬，農薬，香料の原料 γ-リノレン酸 Mucor属 健康補助食品，化粧品 アラキドン酸 Mortierella alpina 健康補助食品 酢酸 Acetobacter aceti 乳酸 Lactobacillus delbrueckii フマル酸 Rhizopus nigricans コハク酸 Mucor rouxii 発酵によるビタミン・補酵素の生産 生産物 発酵微生物 用途 ビタミンB2 Ashbya gossypii Candida famata Bacillus subtilis遺伝子組換え体 医薬品，栄養補助食品， 食品添加物，飼料添加物 ビタミンB12 Pseudomonas denitrificans Propionibacterium shermanii Propionibacterium freudenreichii 医薬品，栄養補助食品， 食品添加物，飼料添加物 コエンザイムQ10 酵母 Rhodobacter sphaeroides 医薬品，健康食品， 化粧品 農業用・家畜用抗生物質 抗イネいもち病菌薬 NH2 ブラストサイジンS NH HOOC H3C NH2 O N H HO N Streptomyces griseochromogenes HO OH O N COOH O O HO CH3 OH H2N カスガマイシン Streptomyces kasugaensis N NH NH NH2 O 抗イネ紋枯病菌薬 OH HO HO HO OH バリダマイシン HO HN O HO HO OH O OH OH Streptomyces hygroscopicus 抗うどんこ病・灰色かび病菌薬 O ポリオキシンB Streptomyces cacaoi var. asoensis O H2N CH2OH HN OH O O O COOH N H OH N NH2 O H HO OH 植物ホルモン O H ジベレリンA3 CO HO OH H CH3 COOH Gibberella fujikuroi イネばか苗病菌 種無しブドウの生産，果実の落下防止，成長促進 ニワトリ コクシジウム病（原虫）治療薬 OH H3CO HOOC H O O H O H O H H O OH OH モネンシン Streptomyces cinnamonensis OH HOOC H O H O OH O H O サリノマイシン Streptomyces albus ポリエーテル系抗生物質 O OH H O イオノフォア 細胞膜：脂質二重膜 O 親水性のイオンは通過できない O O O Na+ O O O O O O O モネンシン 分子の外側−親油性 分子の内側−親水性 イオンを包み込んで細胞膜通過 飼料添加用抗生物質による耐性菌の出現 抗グラム陽性菌抗生物質→家畜成長促進作用 ポリエーテル・・・モネンシン，サリノマイシン，ラサロシド チオペプチド・・・チオペプチン，ノシヘプタイド グリコペプチド・・・アボパルシン 環状ペプチド・・・バシトラシン，バージニアマイシン アボパルシン（バンコマイシン類似構造） ↓ バンコマイシン耐性腸球菌（VRE） EUでは使用禁止 除草剤 グルタミンシンターゼ CH3 PO2H COOH O H N H2N O NH3 CONH2 CH3 N H COOH CH3 H2N COOH H2N L-Glu CH3 PO2H ビアラホス Streptomyces hygroscopicus H2N COOH ホスフィノトリシン COOH L-Gln 微生物が生産する阻害剤 研究用試薬として用いられる微生物由来阻害剤 阻害剤 阻害標的 主な生産菌 アフィディコリン DNA合成 Cephalosporium aphidicola アクチノマイシンD RNA合成 Streptomyces parvullus シクロヘキシイミド タンパク質合成（真核生物） Streptomyces griseus ピューロマイシン タンパク質合成（原核生物） Streptomyces alboniger アンチマイシンA 呼吸（complex III） Streptomyces olivochromogenes オリゴマイシン 呼吸（F1FO-ATPアーゼ） Streptomyces diastatochromogenes バフィロマイシンA1 V-ATPアーゼ Streptomyces griseus スタウロスポリン プロテインキナーゼ Streptomyces staurosporeus ウォルトマンニン PI3キナーゼ Penicillium wortmanni トリコスタチンA ヒストンデアセチラーゼ Streptomyces hygroscopicus ラクタシスチン プロテアソーム Streptomyces lactacystinaeus ツニカマイシン タンパク質糖鎖合成 Streptomyces lysosuperficus 微生物酵素の利用 医療用酵素 酵素 生産菌 酵素反応 用途 L-アスパラギナーゼ Escherichia coli アスパラギン分解 白血病，リンパ腫治療薬 デキストラナーゼ Chaetomium erraticum デキストラン分解 虫歯予防 コレステロールオキシダーゼ Brevibacterium sterolicum コレステロール酸化 血中コレステロール測定 グルコースオキシダーゼ Aspergillus niger グルコース酸化 血中グルコース測定 ウリカーゼ Candida utilis 尿酸酸化 血中尿酸測定 産業用酵素 酵素 生産菌 酵素反応 用途 アルカリプロテアーゼ Bacillus licheniformis タンパク質分解 洗剤 アルカリセルラーゼ Bacillus sp. セルロース分解 洗剤 リパーゼ Thermomyces lanuginosus 脂質分解 洗剤 α-アミラーゼ Bacillus licheniformis デンプン加水分解 デンプン液化 β-アミラーゼ Aspergillus oryzae デンプン加水分解 マルトース製造 プルラナーゼ Bacillus brevis デンプン側鎖分解 マルトース製造 グルコアミラーゼ Aspergillus niger デンプン加水分解 グルコース製造 セルラーゼ Trichoderma reesei セルロース加水分解 食品加工，繊維処理 凝乳プロテアーゼ Rhizomucor pusillus 凝乳 チーズ製造 微生物酵素による化合物変換 ニトリルヒドラターゼによるアミドの生産 CN アクリロニトリル CONH2 アクリルアミド Pseudomonas chlororaphis 静止菌体 400 g/L Rhodococcus rhodochrous 静止菌体 650 g/L CN N 3-シアノピリジン CONH2 N ニコチンアミド パントテン酸の製造 H3C H3C HO Fusarium oxysporum ラクトナーゼ O O DL-パントラクトン H3C CH3 HO H3C COOH OH D-パントイン酸 CH3 O HO N H OH パントテン酸 COOH アスパルテームの製造 H N O COOH O + H2N COOH COOCH3 DL-フェニルアラニン Z-L-アスパラギン酸 メチルエステル Bacillus サーモリシン thermoproteolyticus ラセミ化 O H N O O Z-アスパルテーム N H COOH COOCH3 + H2N COOCH3 D-フェニルアラニン メチルエステル アスパルテーム
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