微生物の無限な可能性を求めて - J-Stage

微 生 物 機 能 を 利 用 し た 医 薬・化 学 品 製 造 は 社 会 に 多 く の 恩 恵 を も た ら し て き た．大 村 北 里 大 学 特 別 栄 誉 教 授 の ノーベル賞受賞により探索から始まる微生物応用の重要性が世界に発信されるとともに，今後取るべき道への模 索がますます注目されることとなった．微生物産業の当事者視点からこれまでの企業活動を振り返り，今後の本 分野の発展と社会貢献のためのあり方を考えてみたい．

はじめに

2015年のノーベル生理学・医学賞は，寄生虫による 感染症に対する新しい治療法の発見に対し，大村 智先 生（北里大学特別栄誉教授）とウィリアム・キャンベル 博士（ドリュー大学名誉研究フェロー）に贈られた．微 生物の機能を活用し社会に役立てる使命をもつ筆者らに とってもこの受賞は大きな喜びと励ましをいただく機会 となった．本受賞を心から祝福したい．

大村先生のご受賞で思いを新たにしたことは，環境中 に無尽蔵に生息する極めて小さな生命体が多くの人々に 多大な恩恵をもたらすこと，そしてその基点となる探索 研究の重要性である．本記事では微生物を産業利用して きた一企業，日本マイクロバイオファーマ株式会社（以 下，「当社」）が微生物にどのような取り組みをしてきた か振り返ってみる．

当社の発酵生産

当社は，メルシャン株式会社の医薬・化学品部門を承 継して2011年7月に設立された新しい会社で，医薬品，

動物薬，農薬，食品添加物の原体または中間体などを発 酵法，微生物変換法，合成法を単独または組み合わせた 工程で製造している．前身の会社からの発酵事業を振り 返ると，1941年アセトン・ブタノール発酵の工業化か

ら始まる70年以上もの歴史がある．それ以降，1948年 ペニシリン（発酵），1960年アミノ酸（発酵），1966年 アミノグリコシド系農業用抗生物質「カスガマイシン」

（発酵），1969年マクロライド系ヒト用抗生物質（発 酵），1979年食品添加物「シクロデキストリン」（酵素 変換），1981年アントラサイクリン系制がん剤「アクラ ルビシン」（発酵），1990年食品添加物「ポリリジン」

（発酵），1994年活性型ビタミンD3「カルシトリオール」

（微生物変換），1999年マクロライド系免疫抑制剤（発 酵）を製造してきた（カッコ内は製造プロセス要件）． これらの製造のために利用された株は，始めは探索研究 で見いだされた生産性の極めて低い野生株であったが，

化学変異剤やUV処理後のスクリーニングを繰り返し，

製造に望ましい生産能力を獲得した変異株を選択するこ とで工業生産を実現してきた．

このような事業活動のなか，1980年代後半，当社で はマクロライド系動物用抗生物質タイロシン誘導体の中 から，タイロシンより活性が高く，タイロシン耐性菌に も効果を有する化合物の探索研究をしていた．その過程 で，構造類似のアシル化マクロライド化合物を作る放線

菌 変異株の培養液中にタ

イロシンを投入するとアシル化されたタイロシンの一 種，ア イ ブ ロ シ ン（3- -acetyl-4″- -isovaleryltylosin）

が生産され，これが優れた抗菌活性を示した（図1_）． 微生物変換での製造研究を進める一方で，

からアシル基転移酵素遺伝子をクローニングし，

タイロシン生産株 へ組換えることで，直接ア イブロシンを発酵生産する菌株を構築できた⁽¹⁾．これが

【特集】

  2015

年ノーベル生理学・医学賞受賞記念特集：微生物探索研究

微生物の無限な可能性を求めて

一発酵企業の歩みと展望 有澤 章 *

¹

_{，渡辺 東} *

²

Akira ARISAWA, Azuma WATANABE, *¹ _{日本マイクロバイオ} ファーマ株式会社営業・事業開発部，*² _{日本マイクロバイオ} ファーマ株式会社顧問

日本農芸化学会

● 化学 と 生物 

当社育種研究における組換え技術の最初の応用例となっ た．

一方で，抗がん活性物質ダウノルビシンは菌改良によ る生産性向上とプロセス開発を経て，1986年商業製造 を開始した．発酵産物そのものが最適な薬効をもつこと は限られている．そこで，発酵産物にさらに化学修飾を 施し，目的に適った半合成医薬品の製造も目指した．発 酵で製造されたダウノルビシンは合成工程を経て1986 年ピラルビシン（先発品），1997年ドキソルビシン（後 発品），2007年エピルビシン（後発品）として順次製 造，承認を取得し，アンスラサイクリン系抗がん剤のラ インアップを拡充した．今後，高品質で安価なアンスラ サイクリン系抗がん剤原薬で世界一を目指している（図 2_）．

創薬資源としての微生物の利用 1. 微生物創薬支援

微生物が作り出す天然物は人知を超えた構造多様性に 富み，さらに生体親和性が高いことで医薬品，動物薬，

農薬の探索資源として利用されてきた．抗生物質，抗が ん剤，酵素阻害剤，免疫抑制剤，酵素などの探索源とし ての価値は今も維持されている．

1950年代より盛んに微生物の分離，スクリーニング が行われるなか，当社においても1960年代から，土壌 などより分離した微生物の中から産業上重要な発酵産 物，たとえば優れた抗菌作用，抗腫瘍作用を有する化合 物を生産する微生物の選択に努めてきた．その中で，

1978年には，日本では初めて強い抗菌作用・広い抗菌 スペクトルをもつカルバペネム系抗生物質PS-5を⁽²⁾，

図1■タイロシンおよびアイブロシンの構 造

図2^■半合成アンスラサイクリン

発酵で製造したダウノルビシンを原料に3種の アンスラサイクリン系抗がん剤が合成される．

日本農芸化学会

● 化学 と 生物 

1988年には，アントラサイクリン系抗生物質の中でも 細胞毒性が極めて強いベタクラマイシン⁽³⁾をはじめ，多 くの化合物を見いだしてきた（図3_{）．後者の化合物群} は近年開発が進むさまざまな抗体薬物複合体（Antibody- Drug Conjugate）への活用に期待している⁽⁴⁾．1990年 代からは，微生物資源を保有しない製薬企業やアカデミ アと微生物創薬に関する共同研究を開始し，現在では放 線菌2万株，糸状菌（カビ）2万株の菌株ライブラリー を有し，長年の経験から培った微生物分離・培養技術 と，最新のインフォマティックスを組み合わせることで 創薬シードの化合物となりうる多様な微生物資源（菌 株，抽出物，精製化合物）を提供している．

1993年に発効された「生物多様性条約」により，生 物多様性に富む国々の生物資源へのアクセスが困難に なっていた中で，2004年からは，アジアで有数の豊富 な生物多様性を有するインドネシアの技術評価応用庁

（BPPT）と連携して同国の生物資源を提携した製薬企 業やアカデミアの創薬研究のために提供してきた．現 在，独立行政法人国際協力機構（JICA）と国立研究開 発法人日本医療研究開発機構（AMED）が連携して実 施している地球規模課題対応国際科学技術協力プログラ ム（SATREPS）「インドネシアの生物資源多様性を利 用した抗マラリア・抗アメーバ新規薬剤リード化合物の 探索」を筑波大学，東京大学，北里大学と共同で推進し ている⁽⁵⁾．

現在当社では，微生物の多様性を調べるために，個々 の菌株のリボソームRNA配列情報に加えて，生産物解 析結果，抗菌アッセイ結果，文献情報などを統合した独

自のデータベースを作成し，効率的な創薬研究に取り組 んでいる．数に頼って闇雲にスクリーニングを繰り返し ていた前時代の問題点を克服し，天然物利用の機運も追 い風となるなか，本データベースを活用した微生物創薬 の加速と成果創出に期待を寄せている．

2. シトクロムP450ライブラリー

微生物は化合物の探索源のみならず酵素の探索源とし ても貴重である．当社では創薬支援の一環で，モノオキ シゲナーゼの一種であるシトクロムP450に着目し，医 薬候補になるさまざまな化合物の水酸化変換を目的とし て探索基盤を確立した⁽⁶⁾．

P450による水酸化は，後述の微生物変換によるカル シトリオール生産のように，化学合成では困難な位置特 異的，立体選択的な水酸基導入を可能にするケースがあ ると同時に，医薬化合物候補の薬物動態や活性を向上さ せることがあり，製造プロセスと物性の両面で課題解決 の提案が可能である．さらに，新たに導入した水酸基を 基点に新規な誘導体を合成でき，新規な化合物ライブラ リーの拡充に有効でもある．特に放線菌は多様なP450 酵素の宝庫である．1菌株のゲノムに20〜30種存在する P450遺伝子を発現ベクターに組み込み，機能的に大腸 菌で発現させることで，マルチウェルプレート上で迅速 に水酸化変換スクリーニングが可能なプラットフォーム を構築し，創薬支援への強力なツールとして活用してい る．

3. プラジエノライド

プラジエノライドB（pladienolide B; PLD-B）は，当 社が提供した放線菌  Mer-11107 の培養液抽出物を使った共同研究先のアッセイにより見 いだされた抗腫瘍性物質である⁽⁷⁾（図4_{）．同菌が作る} 59種の類縁化合物の構造活性相関に基づく評価により，

PLD-Bの16位水酸化体であるプラジエノライドD（PLD- D）がより良い性質を示すことがわかった⁽⁸⁾．PLD-Dの 蓄積量がごく微量であったため，まずPLD-BをPLD-D に変換する微生物を探索した後，その微生物から本変換 反応を触媒する水酸化酵素遺伝子を同定し，  

図3^■PS-5およびベタクラマイシンTの構造

図4^■プラジエノライドの水酸化

放線菌シトクロムP450により，16位が水酸化 され，プラジエノライドDが得られる．

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● 化学 と 生物 

Mer-11107のゲノム中に組み込むことによりPLD-Dを 直接発酵生産できる微生物を創り出した⁽⁹⁾．その後，菌 株改良や培養条件検討により，当初の約1,250倍まで生 産性を高めた．結果的に当社が提供する創薬支援サービ ス（研究初期から製造まで一貫して対応可能）の要素の ほとんどを動員して実製造レベルに至った好例となっ た．本開発物質は，新しい作用点であるスプライスゾー ムSF3b複合体の阻害活性物質として注目されてい る⁽¹⁰⁾．

微生物変換

1. カルシトリオール（活性型ビタミンD3）

水酸化の効用について前述したが，ヒトに内在する P450においてはホルモン合成や薬物代謝などの重要な 生 理 的 機 能 を も っ て い る．そ の 一 つ に ビ タ ミ ンD3

（VD3）の活性化が挙げられる．VD3は生体内において，

肝臓と腎臓で2段階のP450による水酸化反応によって 活 性 型 で あ る カ ル シ ト リ オ ー ル（1

α

,25-dihy- droxyvitamin D3）が生成し，Ca代謝調節に関係するこ とが知られ，骨粗鬆症薬や二次性副甲状腺機能亢進症薬 として使われている．一般的にはカルシトリオールはコ

レステロールから約20工程の有機合成法で製造されて いる．一方，当社ではカルシトリオールを，ヒトP450 と同様な水酸化機能をもつ放線菌

を変換菌として，VD3から一工程の微生物変換 で製造している（図5_）．当社の発展的研究においては，

同菌がもつ変換活性の本体は1

α

位および25位の水酸化 活性を併せ持つP450酵素であることがわかった．加え て，本酵素の反応機構解明や活性向上の側面で成果が得 られている^(11, 12)．

2. ^L-ピペコリン酸とヒドロキシ-^L-ピペコリン酸

5員環の^L-プロリンとヒドロキシ^L-プロリンは，すで に医薬中間体として製法が確立され市販されているが，

6員環の^L-ピペコリン酸とヒドロキシ^L-ピペコリン酸は 希少アミノ酸で医薬中間体として注目されているがその 効率的な製法は確立されていなかった．当社では

由来のリジンアミノ基転移酵素遺伝

子および 由来のジオキシゲナーゼ

遺伝子を導入した組換え大腸菌により基質L-リジンから 一工程でL-ピペコリン酸および -5-ヒドロキシ-L-ピペ コリン酸（ -5-hydroxy-^L-pipecolinic acid）を製造する 効率的な微生物変換プロセスを確立した⁽¹³⁾（図6_）．こ

図5■ビタミンD3の微生物変換

放線菌 がもつ水

酸化酵素（Vdh）により初めに25位，次に 1α位が水酸化されカルシトリオールができ る．

図6^■L-ピペコリン酸およびヒドロキシ-L- ピペコリン酸の生産

組換え大腸菌で基質とするL-リジンから，2 段階の酵素系でL-ピペコリン酸が生成し，そ の後，さらにジオキシゲナーゼ遺伝子の導入 によってヒドロキシ-L-ピペコリン酸が生産さ れる．最終段階のジオキシゲナーゼ遺伝子を 選択することにより，3種の異性体の作り分 けが可能となる．

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● 化学 と 生物 

の経路において，最後のジオキシゲナーゼ遺伝子の選択 により -5-水酸化体や -3-水酸化体といった価値あ る異性体の作り分けが可能である．

従来，自然界から目的の化合物を生産する菌株を探索 してきたが，菌株間に分散するさまざまな酵素遺伝子を カスタマイズ（必要に応じて代謝系を変え，機能改変）

して組み合わせ，天然には希少な，または作りえない化 合物を主産物として生産することが可能となってきた．

微生物機能を駆使するこのような能動的な取り組みは今 日，合成生物工学の潮流に乗り，バイオプロセス発展を 担うと考えている．

展望

植物や海洋生物から有効成分を見いだし，大量生産を 行う場合，その生産性においては季節や天候の変動，生 産不安定性の影響を免れない．一方，物質生産手段とし ての微生物は，一度製造法が確立すれば，集約的なス ペースで多段階の複雑な工程が1回の培養で完結できる など多くの利点がある．課題であった育種への労力もゲ ノム情報，改変ツールなどの活用により改善が進んでい る．将来の微生物生産は，合成生物工学の発展を原動力 に，より付加価値の高いもの，微生物以外の生物由来化 合物も生合成できる洗練された技術が必要と考える．た とえばヒト由来のタンパク質，植物由来の多様な天然 物，ひいては人工的にデザインした非天然化合物でさえ も大腸菌や酵母で大量に製造できる技術を目指してい る⁽¹⁴⁾．微生物が作り出す天然物は非常に魅力的である が，一時は合成化合物を対象にしたハイスループット探 索研究の流れや抗体医薬などのバイオ医薬品が進展し，

微生物創薬から撤退する会社が相次いだ．しかし，現在 では生体親和性の高い天然物への回帰の傾向が見られ，

特に全合成が困難で，これまで扱い難いとされてきた分 子量500以上の天然物（中分子天然物）への期待が高 まってきている．これを好機と捉え，微生物の機能を最 大限発揮させて産業利用につなげていくことが当社の使 命と考える．

大村先生のノーベル賞受賞が微生物の可能性を広げる 起爆剤になることを祈願する．

文献

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13)  藤井 匡ほか：シス-5-ヒドロキシピペコリン酸の生物学 的な製造方法，国際公開WO2013/187438

14)  日本マイクロバイオファーマ：ニュースリリース・お知 ら せ，http://www.microbiopharm.com/release/2015/ア ステラス製薬の清須工場の事業の譲受について.pdf プロフィール

有 澤  章（Akira ARISAWA）

＜略歴＞1985年東京理科大学薬学部製薬 科卒業／1987年同大学大学院薬学研究科 修士課程修了／同年三楽株式会社（その後 メルシャン株式会社に改称）中央研究所な ど研究開発部門／1996年博士（薬学）（東 京理科大学大学院薬学研究科）／1998年カ リフォルニア工科大学訪問研究員／2003 年明治大学大学院農学研究科兼任講師／

2011年日本マイクロバイオファーマ株式 会社研究開発部門を経て2014年12月より 現職＜研究テーマと抱負＞微生物有用機能 の探索，高機能化，産業利用＜趣味＞温泉 め ぐ り，山 登 り＜会 社 ホ ー ム ペ ー ジ＞

http://www.microbiopharm.com/

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● 化学 と 生物 

渡 辺  東（Azuma WATANABE）

＜略歴＞1979年慶応義塾大学工学部応用 化学科卒業／1981年同慶應義塾大学大学 院工学研究科応用化学専攻修士課程修了／

同年三楽オーシャン株式会社（その後メル シャン株式会社に改称）中央研究所勤務／

1989年メルシャン株式会社開発部勤務，

2009年同社執行理事，医薬・化学品事業 部 長／1992年 博 士（工 学）（慶 應 義 塾 大 学）／1996年工学院大学非常勤講師兼務／

2011年日本マイクロバイオファーマ株式 会社転籍，執行理事事業統括部長／2012 年同社取締役CSO（最高科学責任者）／

2014年同社顧問，現在に至る＜研究テー マと抱負＞「微生物を使って世の中で役立 つことはないか」考えること／＜趣味＞テ ニ ス＜会 社 ホ ー ム ペ ー ジ＞http://www.

microbiopharm.com/

Copyright © 2016 公益社団法人日本農芸化学会 DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.54.48

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