【解説】
乳酸発酵と乳酸ポリマー発酵 のメタボリックケミストリー
松本謙一郎，ジョン・マサニ・ンドゥコ，田口精一
生物史上初めて乳酸が微生物細胞内でポリマーの形で合成さ れた．自然界になかった “ 乳酸重合酵素 ” の開発がもたらし たブレークスルーである．これを契機に，伝統的な “ 乳酸発 酵 ” から “ 乳酸ポリマー発酵 ” という新しい概念が誕生するこ とになる．本稿では，「炭素モル濃度」という尺度を導入し た「メタボリックケミストリー」の切り口から，両発酵の化 学量論的考察を加えた．今後，メタボロミクス分野で議論す るうえで一つの化学的指標を与えるであろう．
発酵と言えば微生物，微生物と言えば発酵である．そ のなかの一つ乳酸発酵は，糖が分解され乳酸が合成され る物質変換系であり，ヨーグルトや漬物などの製造な ど，われわれの食生活とも密着に関連している．この古 くから知られる応用微生物技術の一つである乳酸発酵 は，近年，ポリ乳酸がバイオマス由来プラスチックとし て市場に出回るようになり，再び注目を集めている．ポ リ乳酸は，乳酸を化学重合させることにより得られる熱 可塑性ポリエステルであり，透明で硬質な性質をもつこ
とから，使い捨てのコップや，卵パックなどとしてすで に実用化されている．ポリ乳酸の工業的生産のために は，原料となる乳酸の効率的合成が鍵となるため，代謝 工学・培養工学的手法により乳酸の生産性を高める培養 法が活発に研究されている（1）．一方，われわれの研究グ ループでは，微生物が合成した乳酸を，細胞内で直接重 合してポリエステルを合成する新たなシステムを創成し た（2） （図1）．この新たなシステムでは，乳酸がCoA体
（ラクチルCoA）へと活性化された後，重合酵素の働き により乳酸ポリマーが合成される（図2）．本プロセス は，微生物による乳酸発酵と化学的手法によるポリマー 合成を一つの細胞内に集積した一体型システムだと言え る．本稿では，この新しく構築された「乳酸ポリマー発 酵」と言うべき発酵生産系について，既存の乳酸発酵や 従来の微生物ポリエステル合成系と対比して解説し，そ の特性について，特に物質変換の化学量論に基づいた
「メタボリックケミストリー」の視点から考えたい．
乳酸発酵とポリ乳酸の化学合成
乳酸は化学的にはC3H6O3の組成式で表される．グル Metabolic Chemistry of Microbial Production of Lactic Acid and
Lactate-based Polyesters
Kenʼichiro MATSUMOTO, John Masani NDUKO, Seiichi TA- GUCHI, 北海道大学大学院工学研究院，科学技術振興機構CREST
コースが解糖系を経て乳酸が合成されるまでの代謝経路 は複雑であるが，乳酸の組成式がグルコースのちょうど 半分であることから，ほかの化合物の取り込みや，副産 物の生成を伴わずに，1分子のグルコースから2分子の 乳酸が合成できる．原子の収支バランスが取れていると いうことは，合成の途中で炭素のロスがないことを意味 し，さらに，酸素の供給も必要ないため，嫌気的な条件 で合成可能である．これらの性質により，乳酸発酵は非 常に効率的なプロセスとなっている．
C6H12O6（グルコース）→2C3H6O3（乳酸）
乳酸を減圧して加熱すると，脱水縮合が起こり乳酸の 重合物，ポリ乳酸が得られる．しかししだいに重合と脱 重合の平衡に達し分子量が上昇しなくなるため，この方 法では低い分子量のポリ乳酸しか得られない．そこで，
低分子量のポリ乳酸を一度環状ラクチドへと分解し，改 めて重金属触媒を用いて開環重合することにより高分子 量のポリ乳酸が合成できる（3） （図2）．この合成の際，ピ ルビン酸などのほかの有機酸が混入していると重合停止 の原因となるため，モノマーとなる乳酸は高純度に精製 されている必要がある．また，乳酸にはLとDの光学異 性体が存在するが，光学純度が高いモノマーを用いない とポリマーの物理的強度が出ない．このように，ポリ乳 酸は乳酸を重合しただけの単純な構造のように見える が，かなり手間のかかるプロセスで合成されている．
微生物産生乳酸ポリマーの誕生
乳酸はもともと微生物の細胞内で合成されているの で，それをそのまま重合できれば1ステップでの乳酸ポ リマーの合成，すなわち乳酸ポリマー発酵が可能になる と考えられる．しかし筆者らの知る限り，これまでに乳 酸ポリマーを生合成する生物の報告例はない．これは，
乳酸がいわばATP合成のための老廃物として生成して いることを考えれば，自然なことに思われる．そこで，
ポリエステル合成系の人工的な改変により乳酸ポリマー の合成系を構築しようと考えた．ここで注目されたの が，微 生 物 が 合 成 す る ポ リ ヒ ド ロ キ シ ア ル カ ン 酸
（PHA） と呼ばれるポリエステルである．このポリマー 図1■乳酸ポリマーを蓄積した組換え大腸菌
細胞内に存在する顆粒が蓄積されたポリマーである．
X O
HO OH
OH
HO OH
O OH HO
sugars
O S-CoA OH D-lactyl-CoA L-乳酸
L-lactide
poly(lactic acid)
(PLLA) Lactate-based polyesters O
O
O O Sn(Oct)2
glycolysis
O O
O
O
OH O
pyruvate O
heat L-LDH
D-LDH
CoA-SH
x x y
乳酸発酵
heat H2O
Chemoprocess
CoA転移酵素
乳酸重合酵素
Bioprocess O HO OH
D-乳酸
乳酸ポリマー発酵
図2■化学プロセスとバイオプロセスによる乳酸ポリマー合成 化学合成では主にL-乳酸が原料として用いられる．乳酸ポリマー 発酵では，重合酵素の立体特異性により，D-乳酸のCoA体のみが 重合されキラルポリマーを生じる．
は，たとえば最も典型的なポリヒドロキシブタン酸
（P（3HB）） を例にすると，PhaA, PhaBと呼ばれる2つ の酵素の働きにより，3HBのCoA体である3HB-CoAが モノマーとして合成され，次いで重合酵素により重合さ れて P（3HB） が合成される（図3）．この経路に基づい て考えると，3HB-CoAと同様に，乳酸のCoA体である ラクチルCoAが重合できれば，細胞内でポリ乳酸を合 成することが可能になると期待される．このような考え は，実際複数の研究室で挑戦されていた（4～6）．しかし，
上述したように，天然ではポリ乳酸合成微生物はいまだ 見つかっておらず，ラクチルCoAを重合可能な重合酵 素はなかなか見つからなかった．ところが，筆者らは in vitro 重合系を用いて，Pseudomonas sp. 61-3由来の 重合酵素の変異体がラクチルCoAを基質として認識可 能であることを初めて見いだした（2）．この酵素は，
S325T/Q481Kの二重変異体であったことから，ST/QK 変異体と呼ばれており，乳酸重合酵素の第一号となっ た．この変異体は，筆者らが約10年間にわたり継続し
ている重合酵素の進化工学で作成したコレクションの一 つであった（7）．数多くの変異体を個別に調べ始めた最初 の5個以内にST/QK変異体の乳酸重合活性が見つかっ たのにはたいへん驚いた．この乳酸重合酵素の発見によ り，微生物細胞内での乳酸ポリマーの発酵生産が可能と なったのである（図2）．乳酸重合酵素の発見の経緯に ついては他稿で詳しく紹介しているので（8），ここでは乳 酸ポリマー合成経路の特徴を解説する．
乳酸ポリマー生合成の特徴
図3に 最 も 典 型 的 な 乳 酸 （LA） ポ リ マ ー で あ る P（LA-co-3HB） の生合成経路を示す．これは，同一ポリ マー鎖内に乳酸ユニットと3HBユニットが共重合され たコポリマーである．乳酸を重合するためには，乳酸を ラクチルCoAへと活性化する必要がある．ラクチル CoAが Megasphaera elsdenii 由 来 のCoA転 移 酵 素
（propionyl-CoA transferase ; PCT） により生成すること 図3■組換え大腸菌によるグルコー スおよびキシロースを炭素源とした 乳酸ポリマーの生合成経路 モノマー供給酵素PhaA, PhaBととも に通常のPHA合成酵素 （PhaC） を用 いると P（3HB） が合成され，乳酸重 合活性を獲得したPHA合成酵素（乳 酸重合酵素：LPE）を用いると，乳 酸ポリマーも合成される．点線で示 したのはCoA転移酵素 （PCT） が触 媒する推定上のCoA転移反応であ る．LDH：乳酸脱水素酵素，PhaA：
βケトチオラーゼ，PhaB：アセトア セチルCoAリダクターゼ，PP経路：
ペントースリン酸経路，LA-CoA : ラ クチルCoA
O O
x O y
O (C3)
グルコース
乳酸(LA)
NAD+ NADH
Acetyl-CoA 乳酸
3HB-CoA LA-CoA
P(LA-co-3HB)
3-hydroxybutyric acid
NADP+ NAD+
PCT NADPH
Acetoacetyl-CoA
Acetyl-P
NADH
CO2 6-P-gluconate
NADPH NADP+
CO2
NAD+ NADH
Glucose-6-P
Glyceraldehyde-3-P
Pyruvate Phosphoenolpyruvate
酢酸 酢酸
Acetyl-CoA Ribulose-5-P
キシロース
Xylulose-5-P
Glyceraldehyde-3-P Fructose-6-P
(C5) (C5)
(C6)
(C6) (C3)
(C6) (C6)
(C6)
(C6)
(C5)
(C3)
(C3)
(C3) (C4)
EMP経路
(C4) PP 経路
TCA回路
3-hydroxybutyric acid (C3)
NADPH NADP+
(C2)
NADPH NADP+ (C4)
P - 6 - e s o t c u r F P
- 6 - e s o t c u r F
酢酸
(C1)
(C1)
NAD+ NADH LDH
P(3HB) O x PCT O
LPE PhaC
PhaA
PhaB
は古くから知られていた（9）．CoA転移酵素に，何らか のCoA体と乳酸を加えると，CoAが転移されラクチル CoAが合成される．CoA転移酵素を発現した大腸菌の 細胞内にラクチルCoAが生成したことは，細胞抽出液 の分析により確認できる（2）．しかし，この際に何が CoA供与体になっているのかを知ることはできない．
大腸菌にはアセチルCoAが比較的高濃度で存在してい ることが報告されていることから，アセチルCoAが CoA供与体ではないかと推測されるが，直接的な証拠 は得られていない．
次に，ラクチルCoAが乳酸重合酵素により重合され て乳酸ポリマーとなるのだが，ここで，非常に重要な条 件として，供給される乳酸モノマーはD体である必要が ある．これは，乳酸重合酵素（さらに言えば，これまで に知られているすべてのPHA合成酵素）が厳密なD体 特異性をもっているためである（10, 11）．通常大量に工業 生産されている乳酸はL-乳酸であるので，乳酸ポリマー を生合成するためには，大腸菌のようなD-乳酸生産菌を 用いるか，あるいはD-乳酸の合成経路を導入する必要が ある．この性質により，得られる乳酸ポリマーは非常に 厳密なD-乳酸ポリマーになる．化学的に重合させる場合 でも，原料となるのは乳酸菌が合成したL-乳酸（または
D-乳酸）なのであるが，重合の過程でのラセミ化が完全
には回避できないため，通常数%の光学異性体が含ま れてしまう．微生物合成ではそのような問題がなく，精 密なキラルポリマーが合成できる．さらに，L-乳酸に比 べて高価（市場価格でL-乳酸の10倍以上）なD-乳酸ポリ マーが得られることも，メリットの一つである．
乳酸ポリマーが生合成されるための2つ目の要請とし て，3HB-CoAが第二の基質として供給される必要があ る．興味深いことに，3HB-CoAが全く供給されない条 件にすると，乳酸が生成しているにもかかわらず乳酸ポ リマーは合成されず，一方，3HB-CoAの存在下では，
共重合体 P（LA-co-3HB） が合成される．このことから，
乳酸重合酵素は，ラクチルCoAを単独で重合すること ができないと考えられる（10）．図4には，この代謝経路 を用いて合成された P（LA-co-3HB） を示している．こ のポリマーの性質はモノマー組成によって変化するが，
たとえば30 mol%程度の乳酸ユニットを含む P（LA-co- 3HB） は，半透明のフィルムに加工でき，ポリ乳酸とは 異なり軟質である程度の伸張性をもつ．したがって，微 生物産生乳酸ポリマーは，単に化学合成ポリ乳酸のプロ セス変換にとどまらず，新たな材料の生産系としての可 能性も有していると言える．
上述した性質により，P（LA-co-3HB） の合成は乳酸発
酵より複雑になる．乳酸ポリマー発酵は，乳酸発酵と以 下の点で異なっている．
・乳酸ポリマー P（LA-co-3HB） の合成には，3HB-CoA を供給する必要がある．
・おそらくCoA供与体として，アセチルCoAの供給も 必要である．
・上記の事情により，乳酸発酵は嫌気条件下で促進され るのに対し，P（LA-co-3HB） の合成は好気条件で促進 される．
・ポリマーが菌体内に蓄積されるため，菌体増殖が必 要．
本生産系の特徴の一つは，ある程度の好気的条件下で 乳酸を合成する必要があることである．過去の研究にお いて，ピルビン酸からギ酸およびアセチルCoAを合成 するピルビン酸‒ギ酸リアーゼ （PFL） を欠損した大腸 菌は，競合経路が遮断されることに加え，乳酸脱水素酵 素 （LDH） の活性が増大し，好気的な培養条件下でも乳 酸を合成することが知られていた（12）．筆者らは，Keio Collectionに含まれるpflA遺伝子変異株を利用して，乳 酸ポリマーの合成を行った．その結果，遺伝子構築など に用いられるJM109株と比較して，乳酸ポリマーの合 成量および，ポリマー中の乳酸分率が向上することがわ かった．そこで，以降の実験は pflA 欠損変異株を用い て行うこととした．
ポリマー合成の化学量論
では，乳酸ポリマー発酵が，物質変換系として考えた 図4■大腸菌により合成された P（3HB）（左上），乳酸ポリマー P（LA- -3HB）（右上）と化学合成ポリ乳酸（左下）．P（LA-
-3HB） は軟質で引っ張ると伸長することができる（右下）
際に乳酸発酵とどのように違うのかを考えてみよう．こ こで，ポリマー生合成中の炭素源の消費と，ポリマーお よび副生成物の生成量を比較するために，「炭素モル濃 度」という指標を導入する．これは，化合物中に含まれ る炭素原子の数に相当する．たとえば，乳酸は3つの炭 素原子を含むので1モルの乳酸は3炭素モルである．こ のような尺度を導入するメリットは，複数の化合物が関 与する系全体の効率（物質収支）を，酸化還元の程度な どに依存せず一元的に表示できることである（図5）．
まず最初に，乳酸ポリマー合成の基礎となる P（3HB）
の合成について検討する．実際の培養結果を図6Aに示 す．本条件では，20 g/Lのグルコースを加えているの で，667 mol/Lの炭素が存在すると考える．経時的に培 地および菌体をサンプリングし，細胞内に蓄積された P（3HB） と培地中に残存するグルコース濃度と，分泌さ れた乳酸，酢酸の濃度を測定して積み重ねる．図6Aで は，培養中期に少量の乳酸が合成され，その後再吸収さ れていることがわかる．ここで忘れてはならないのはピ ルビン酸 （C3） からアセチル CoA （C2, CoA部分を除 く）が合成される際に遊離されるCO2である（図3）． 3HBユニット1分子当たりCO2が2分子発生するはずな ので，3HBの半分に相当する炭素モル濃度を加算する．
図6の透明な枠は，このように計算されたCO2の量であ る（実際の測定値ではない）．青色で示す P（3HB） の炭 素量だけを見ると，原料の糖の酸素量に比べて目減りし ているように見えるが，このCO2の放出を考慮すると，
実際にはそこそこの炭素収率で P（3HB） が合成されて いることがわかる．それでも，経時的に炭素量の合計が
減少していくということは，補足できていないカーボン フローがあるということである．炭素の減少が大きい期 間が菌体の対数増殖期と一致しているので，おそらく糖 の一部が増殖に使用されたと考えられる．このように，
炭素量をモニターすると，糖源がどの化合物に変換され ているか把握することができる．ちなみに，水素原子の 数に着目すると，グルコース1分子から1分子の3HBユ ニットと2分子のCO2が合成されるため，反応前後で水 素原子が余ってしまう．これはすなわち，グルコースか ら P（3HB） を合成すると還元力が余ることを意味して いる．この余剰の水素原子を処理して解糖系が活発に進 むためには，酸素と結合して水を作る必要がある．した がって，グルコースを炭素源とした P（3HB） の合成は 好気的な条件で効率よく進むことになる．
C6H12O6（グルコース）＋3
2 O2→C4H6O2
（3HBユニット）＋2CO2＋3H2O
P（LA- -3HB） 合成のメタボリックケミストリー 次に，CoA転移酵素を発現させて乳酸ポリマーを合 成した際の物質変換を同様に測定する（13） （図6C）．今度 は赤色で示したポリマー中の乳酸ユニットの蓄積がグラ フに含まれている．本条件では，培養の初期に一部の炭 素源が別の経路に流れるが，その後はほとんど炭素量の 合計が変動せず，グルコースがポリマーまたは有機酸に 定量的に変換されていることがわかる．このグラフで目 を引くのは，オレンジ色で表示した3-ヒドロキシブタン 図5■乳酸ポリマー生合成の炭素収 支
例 と し て グ ル コ ー ス2分 子 か ら P（LA-co-3HB） 各1ユニットと乳酸1 分子が生成した場合の収支を示す．
共重合体のように組成式の異なる複 数の分子が合成される場合は，生成 物の重量やモル数よりも炭素原子の 数を指標にしたほうが物質収支を理 解しやすい．構造は模式的なもので，
結合距離や角度は正確ではない．
3 2 glucose
P(LA- co -3HB) lactic acid
glucose O
2CO
2H
2O
図6■グルコースおよびキシロースを炭素源とした P（3HB） および P（LA-co-3HB）生合成の炭素変換
各データは，ポリマー合成系遺伝子群を導入した組換え大腸菌を培養し，経時的にモニターしたものである．図中のバーの長さは，培地中 およびポリマー中の各化合物の炭素原子の量を表している．各図のバルーンは，大腸菌で発現しているポリマー合成系の酵素群を示す．
A : P（3HB） 生産，B‒D : P（LA-co-3HB） 生産．酢酸の量はごくわずかのため，図中ではほとんど見えない．
酸 （3HB） の生成である．これはポリマー中のモノマー ユニットではなく，3-ヒドロキシブタン酸が培地中に分 泌されていることを意味する．この現象はCoA転移酵 素 （PCT） の働きにより説明できる．3HB-CoAがCoA 供与体となりPCTによって何らかの有機酸にCoAが移 されると3HBが生成しうる（14）．図3には可能性の一つ として酢酸にCoA転移される経路を示している．CoA の受容体は複数ありうるが，何が受容体になっているの かを知るのは簡単ではない．PCTの基質特異性に基づ いて考えれば，乳酸もCoA受容体になりえるが，3HB が合成される培養後期には乳酸も乳酸ポリマーも合成さ れていないことから，乳酸が受容体になっている可能性 は低いと推定される．一方，酢酸からアセチルCoAが 生成する場合は，アセチルCoAから3HBが生成するた め，代謝経路が回転しうる．なぜこの条件で3HBが生 産されるのかは明らかではないが，3HBが分泌される のは培養後期であり，この段階ではポリマー蓄積率が上 昇していないことから，何らかの理由で細胞内のポリ マー蓄積が停止し，重合しきれないモノマーが細胞外に 漏れでていると解釈できる．
ポリマーとして蓄積された乳酸と3HBユニットと，
培地中に存在する3HBの合計に相当する炭素量は，
P（3HB） を生産した場合よりも多い．上述したように，
乳酸の合成には，3HBの合成のようなCO2の遊離を伴 わないので，その分炭素収率が高くなると考えられる．
たとえば，例として，乳酸分率が67 mol%（つまり乳酸 ユ ニ ッ ト2個 に 対 し て3HBユ ニ ッ ト1個 を 含 む） の P（LA-co-3HB） の物質収支は以下のようになる．
C6H12O6（グルコース）＋3
4 O2→C3H4O2
（乳酸ユニット）＋1
2 C4H6O2（3HBユニット）
＋CO2＋ 5 2 H2O
前述した P（3HB） の合成と比較すると，CO2の発生 が少なくなる分，全体の炭素収率が上昇する．ただし，
乳酸からラクチルCoAへの活性化に，おそらくアセチ ルCoAがCoA供与体として必要とされることは注意す る必要がある．なぜこのことが重要なのかというと，図 3に示すようにCoA転移酵素がアセチルCoAをCoA供 与体としてラクチルCoAを合成したとすると，合成し たラクチルCoAと等モルの酢酸を遊離するはずだから である．しかし実際には，培地中に分泌された酢酸量は 重合された乳酸ユニットと比較して非常に少量で，また ほかに乳酸の重合量に匹敵する有機酸が検出されない．
このことから，仮にアセチルCoAがCoA供与体であっ たとしても，CoA転移酵素により遊離された酢酸は細 胞内でアセチルCoAへとリサイクルされていることが 示唆される．このことは，炭素収率の観点から好都合で ある．
乳酸分率向上のための改良型乳酸重合酵素
次に，乳酸分率のさらなる向上のために，乳酸重合酵 素の改良に着手した．乳酸重合酵素は，野生型の酵素に STとQKの2つの変異を加え，高活性化すると同時にラ クチルCoAの重合活性を獲得したものである．われわ れの研究グループでは，過去に別の重合酵素の進化工学 的改変（15） で見いだされた活性向上効果がある変異
（F392S） を，乳酸重合酵素に組み合わせた三重変異体 を作成した（16）．この新たな乳酸重合酵素 （ST/FS/QK）
を用いて P（LA-co-3HB） を合成すると，ポリマー中の 乳酸分率を向上させることができることを見いだした．
では，この改良型乳酸重合酵素を用いた P（LA-co- 3HB） 生産を，同様にモニターするとどのような違いが 生じるだろうか？ 図6Eにはその培養結果を示す（13）． 一見して乳酸ユニットの蓄積率が増大していることがわ かる．3HBユニットの蓄積量は逆に減少しているが，
ポリマーと残留した糖の炭素量を合計するとST/QKを 用いた系よりも高くなっている．これは，前に述べた理 由でCO2の放出を伴う3HBの合成から，乳酸の合成へ とシフトした結果，炭素収率が向上したことに対応す る．実際，CO2の放出分を含めた炭素量はST/QKと比 較して大きく変化していない．このことから，P（LA- co-3HB） の生産では，乳酸分率が高いほうが，炭素収率 が高くなるという関係があることがわかる．この調子で いくと，乳酸分率をもっと上昇させれば，さらに高い炭 素収率で乳酸ポリマーが合成できそうに見える．しか し，前述したように，3HB-CoAの供給は乳酸ポリマー の生合成に必須であり，3HB-CoA供給系を弱いものに 置き換えると（乳酸分率は向上できるが）ポリマーの合 成量が極端に低下してしまう（17）．したがって，生産性 を維持しつつさらに乳酸分率を上げるためには，何か別 の工夫が必要だった．
キシロースの乳酸ポリマー合成における有効性 筆者らは乳酸ポリマー生産の炭素源としてキシロース に着目した．キシロースは植物組織を構成するセルロー ス，ヘミセルロース，リグニンのうち，ヘミセルロース
の主要構成成分であり，木質系草本系バイオマスの糖化 によって得られる（18）．近年，非可食バイオマスの産業 利用が活発になり，注目されている炭素源である．既往 の研究により，乳酸発酵の炭素源としてキシロースを使 用すると，ほぼ理論収率に近い生産性を示すことが知ら れている．一方，P（3HB） の生産においては，キシロー スを炭素源とできることが古くから報告されていたもの の（19），その生産性はグルコースに劣っていたため，そ の後あまり注目されることはなかった．われわれは，こ の乳酸の生産性が高く P（3HB） の生産性が低いという 性質に着目した．P（3HB） の生産性が低いのであれば，
その分の炭素源が乳酸ユニットに振り向けられる可能性 が考えられた．
では，実際にキシロースを炭素源として P（3HB） お よび乳酸ポリマーを合成した結果を図6B, D, Fに示す
（20 g/Lのグルコースと20 g/Lのキシロースは，糖のモ ル数は異なるが，炭素のモル数はどちらも667 mMであ る）（13）．まず，P（3HB） の合成では，過去に報告されて いたとおり，グルコースと比較するとキシロースからの P（3HB） の生産性が低かった（図6B）．次に P（LA-co- 3HB） を合成すると，期待どおり，グルコース培養と比 較して，乳酸ユニットの蓄積量が増加し，逆に3HBユ ニットの合成量は低下した（図6D）．さらに，この効果 はST/FS/QK変異体と組み合わせることにより相乗効 果が得られ，その結果，ポリマーとして蓄積された炭素 の総量はグルコースより低いものの，ポリマー中の乳酸 分率は最大で60 mol%に達した．この結果は，これまで ポリマー生産には不利だと考えられていたキシロース が，乳酸ポリマーの合成にはむしろ有利に働くことを示 している．
なぜグルコースとキシロースの間にこのような違いが 生じるのであろうか？ おそらく主要なファクターの一 つとなっているのが，解糖系によって得られる還元力の 違いである．グルコースはペントースリン酸経路（PP 経路）に入ることにより，炭素を一つ失う見返りに NADPHを1分 子 生 成 で き る（図3）．NADPHはPhaB の補因子となるので，NADPHが効率的に合成できるこ とは，P（3HB） の合成にとって重要であると考えられ る．一方，キシロースはPP経路でNADPHを合成する ことができない．そのため3HBの合成が不利になり，
その分乳酸の合成に振り向けられると考えられる．ま た，NADPHをほかの経路で賄う必要があり，たとえ ば，TCAサイクルに入ってNADPHを生成したと考え ると，その分の炭素源が失われ，トータルの炭素収率が 低くなることと符合する．ただし，NADPHなどの合成
能が高い（あるいは低い）ことは，必ずしもNADPHの 細胞内濃度が高い（あるいは低い）ことを意味しない．
実際筆者らは，ポリマー合成中の大腸菌のNADPH/
NADP＋レベルを測定したが，グルコース・キシロー スを炭素源とした培養において，大きな違いはなかっ た（13）．このことから，細胞内のNADPHのレベルはあ る一定の値に制御されているが，酸化還元反応を仲介す る回数には差が生じると考えられる．逆に言うと，ポリ マーを分析することにより，間接的にNADPHなどの補 因子の回転数を知ることができると言える．つまり，ポ リ マ ー 中 の 乳 酸 ユ ニ ッ ト が1分 子 生 成 す る こ と は，
NADHが1分子消費されたことを意味し，また同様に，
3HBユニットが1分子生成することは，NADPHが1分 子消費されたことを意味する．したがって，キシロース を炭素源とした方がグルコースを用いた培養と比較し て，結果的にポリマー生産系におけるNADPHの回転数 が減少し，逆にNADHの回転数が増加したと推定でき る．
おわりに
乳酸ポリマー発酵は，再生可能なバイオマスを一段階 の発酵プロセスで乳酸ポリマーへと変換する．合成され たポリマーは，非常に高い光学純度をもち，プラスチッ ク材料として利用できる．本発酵系は，ラクチルCoA への活性化，ほかのモノマー基質との共重合など，さま ざまな因子がかかわり合う複雑な代謝経路となる．今 後，メタボローム解析的な手法により測定される細胞内 の代謝中間体の情報を組み合わせれば，本合成系に関す る理解がさらに深まるだろう．炭素収率だけに着目する と，乳酸分率が高いほうが理論収率は向上するが，材料 の観点から見ると，これら分率の異なる共重合体はそれ ぞれ異なる物性を示すことから，モノマー組成が制御さ れたさまざまなポリマーを合成し，その材料特性を知る ことが必要である．このシステムをうまくコントロール し，組成の制御と生産性を両立させるためには，どのよ うな代謝経路および酵素を用いればよいか，それを探索 するのも今後の重要検討課題である．
謝辞：電子顕微鏡写真を提供頂いた明治大学農学研究科，若林愛子氏，
佐藤道夫博士，前田理久博士に感謝申し上げます．本研究の一部は，
JST・CREST研究領域「二酸化炭素資源化を目指した植物の物質生産力 強化と生産物活用のための基盤技術の創出」の支援により行われました．
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プロフィル
松本謙一郎（Kenʼichiro MATSUMOTO）
＜略歴＞1997年東京大学工学部化学生命 工学科卒業／2002年同大学大学院工学系 研究科化学生命工学専攻修了／2002年理 化学研究所博士研究員／2003年同基礎科 学特別研究員／2005年東京理科大学基礎 工学部助手／2007年北海道大学工学部助 教／2012年同大学准教授．同年より科学 技術振興機構さきがけ研究者（兼任），現 在に至る＜研究テーマと抱負＞大学におけ る研究・教育活動と家族サービスの両立
＜趣味＞生物システムを利用した合成化学 ジョン・マサニ・ンドゥコ（John Masani NDUKO） ＜略歴＞2005年Egarton大学 食品科学技術学部（ケニア）卒業／2008 年より国費留学生として北海道大学大学院 総合化学院博士前期・後期課程に在籍，現 在に至る＜研究テーマと抱負＞乳酸ベース ポリマーの微生物合成．将来の夢はケニア で教授になること＜趣味＞サッカー，旅行
田口 精一（Seiichi TAGUCHI）
＜略歴＞1989年東京大学大学院工学系研 究科工業化学専攻博士課程2年中退，工 学 博 士（1991年 取 得（東 大））／1989年 東京理科大学基礎工学部生物工学科助 手／1999年 理 化 学 研 究 所 高 分 子 化 学 研 究 室 先 任 研 究 員／2002年 明 治 大 学 農 学 部 農 芸 化 学 科 助 教 授／2004年 北 海 道 大 学大学院工学研究院教授（理化学研究所 バイオマス工学研究プログラム客員主管 研究員兼任）／2012年科学技術振興機構 のCREST研究員代表＜研究テーマと抱 負＞微生物プラットフォームを利用した 新規有用物質生産，自然免疫分子（抗菌 ペプチド）の作用機構と応用展開＜趣 味＞自転車での遠出，駄洒落
