L-アラビノースからのキシリトール発酵生産

要約

遺伝子組換えにより代謝経路を改変した大腸菌を用いてL-アラビノースをキシリトールに変換する技術である。培養24時間で10.5 g/LのL-アラビノースから92%の収率で9.7 g/Lのキシリトールを生産することができる。

キーワード:キシリトール、L-アラビノース、代謝工学、微生物変換
担当:食総研・食品バイオテクノロジー研究領域・機能分子設計ユニット
代表連絡先:電話029-838-8061
区分:食品
分類:研究・参考

背景・ねらい

キシリトールは低カロリー、非う蝕作用等の現代の健康志向に適した特性を持つことから、機能性甘味料として需要が増加している。現在、キシロースを化学的に還元することによりキシリトールは生産されているが、純度の高いキシリトールを得るためには、パルプやコーンコブ等のキシロース含量が元々高い原料を使用する必要がある。一方、稲わら等の未利用・低利用バイオマス中にもキシロースが多く含まれており、これらの資源からキシリトールが効率的に生産することができるようになれば、バイオマスの有効利用にも繋がることが期待される。しかし、多くのバイオマスにはキシロースに加え、L-アラビノースも多量に含まれており、化学的還元法ではL-アラビトールが副生してしまう問題がある。そこで、本研究ではL-アラビノースからキシリトールを生産する技術を開発する。

成果の内容・特徴

遺伝子組換えにより、(i) L-アラビノースをL-リブロースに変換するL-アラビノースイソメラーゼ、(ii) L-リブロースをL-キシルロースに変換する D-プシコース3-エピメラーゼ、(iii) L-キシルロースをキシリトールに変換するL-キシルロースレダクターゼの3つの酵素遺伝子(図1)を利用することによりL-アラビノースをキシリトールに変換する新たな代謝経路を大腸菌内に構築する。さらに、変換経路の代謝中間産物の消費を防ぐために、宿主菌のL-リブロキナーゼ、L-リブロース5-リン酸4-エピメラーゼ、L-キシルロキナーゼ遺伝子を破壊する。
大腸菌のL-アラビノース代謝関連プロモータを利用することにより、基質(L-アラビノース)のみで、発現誘導物質を別途添加することなく、変換経路を構成する3つの酵素を同時に発現させることが可能である(図2)。
この変換経路を導入した大腸菌を使用することにより、培地に加えたL-アラビノースをキシリトールに変換できる。しかし、このままではキシリトール収率(基質L-アラビノース量に対するキシリトール収率)は25%と低い(図3)。
収率が低い原因として、3段階目の反応に必要な補酵素(NADH)の不足が推察される。補酵素を再生させるためにグリセロールを培地に添加することによりキシリトール収率は大幅に改善され、培養24時間で、10.5 g/LのL-アラビノースから9.7 g/Lのキシリトールを生産することが可能である。この場合のキシリトール収率は92%となる(図4)。