微生物を利用したバイオプラスチック合成~中鎖ホモポリヒドロキシアルカン酸編~

2021年02月25日

ゴムタイムス社

*この記事はゴム・プラスチックの技術専門季刊誌「ポリマーTECH」に掲載されました。
*記事で使用している図・表はPDFで確認できます。

特集1 バイオプラスチックの現状と将来展望

微生物を利用したバイオプラスチック合成~中鎖ホモポリヒドロキシアルカン酸編~

東京農業大学 廣江綾香
東京工業大学 柘植丈治

1.はじめに

 軽くて安くて丈夫なプラスチック材料は、私たちの生活に不可欠な存在だ。ビニール袋、タッパー、ペットボトル、電子機器のボディーや部品など身の回りにはあらゆるプラスチック製品が溢れている。1950年に世界で200万トンだった生産量は、2015年には3.8億トンまで増え、今なお年率約8.4%の勢いで増え続けている1)。
 一方、1950年以降廃棄されたプラスチックごみの総量は63億トンとされ、そのうち12%が焼却処分、9%がリサイクル、残りの79%は埋め立てもしくは環境流出していると考えられている1)。環境流出し海に流れ着いたプラスチックや直接海に投棄されたプラスチックは、海洋生物に絡まったり誤飲されることで、生育に支障を与え死亡に至る例も報告されている。2050年には、海に生きる魚の総量(8億トン)よりも海洋プラスチックごみの総量(10億トン)が上回る試算も発表され、プラスチック利用の考え方に警告を鳴らしている2)。海洋生物の生態系の変化は、漁獲量などの食料問題や経済活動にも影響を及ぼす可能性があり、対策を講じる必要性が認識されつつある。
 上記プラスチックごみ問題を緩和する手段の一つとして、バイオプラスチックの利用・普及が注目されている。バイオプラスチックは、植物を原料とし、使用後は環境中の微生物の働きによって二酸化炭素と水まで分解される性質を持っている。そのため、誤って環境流出した場合にも、生態系への被害を低減することができる。バイオプラスチックは、ここ数年ヨーロッパでの普及が加速し、日本国内でもレジ袋やストローなど使い捨て日用品を中心に導入が始まっている。
 著者らは、微生物がその小さな細胞の中で合成するバイオプラスチックに着目して研究を進めてきた。本稿では、微生物がつくる新しいバイオプラスチックとして、中鎖ホモポリヒドロキシアルカン酸を中心に紹介する。

2.天然のプラスチック~ポリヒドロキシアルカン酸(PHA)~

 ある種の微生物はエネルギー貯蔵物質としてポリヒドロキシアルカン酸(以降PHA)と呼ばれるポリエステルを合成する3)。PHAは、人で言うところの“脂肪”であり、鎖状の高分子として微生物細胞内に蓄積されている。このような微生物を顕微鏡で観察すると、PHAの凝集体が顆粒状に見え(図1)、多いときには細胞の全重量の80%以上を占めることが知られている。細胞からPHAを抽出・精製し、加工成形すれば、様々なプラスチック製品として使用することができる。実は、PHAは天然高分子で唯一熱可塑性(温めると溶け冷えると固まる性質)を示すため、加工成形に適した素材になっている。
 PHAを合成する微生物はこれまでに約200種類ほど見つかっている。また、これらの微生物はPHAの合成能力と同時に分解能力も持っており、土壌・湖・海などあらゆる場所に生息している。プラスチック製品として加工成形されたPHAは、好気条件のみならず嫌気条件でも分解されるため、例えば酸素濃度が希薄な海底でも分解され、前述の海洋プラスチックごみ問題を解消する素材として期待されている。このように、PHAは自然の物質循環サイクルに組み込まれた理想的なプラスチック材料と言える。

3.中鎖ホモPHA

 中鎖ホモPHAは、2012年に初めて合成が報告された新しいタイプのバイオプラスチックである4)。PHA自体が初めて見つかったのは1926年と約100年も前に遡るが、そこから多種多様なPHAが発見され、あるいは使い勝手のよいPHAへと改良されてきた5)。中鎖ホモPHAもこの改良されたPHAの一つである。
 PHAの基本単位は、ヒドロキシアルカン酸と呼ばれるモノマーであり、これが鎖状に重合され、ポリマー(プラスチックの分子鎖)が出来上がる。PHAのモノマー種は実に150種類以上の報告があるが、中でも3-ヒドロキシアルカン酸(3HA)はその代表格となっている(図1)5)。3HAは側鎖のアルキル鎖の長さに応じて短鎖、中鎖のように呼び分けられており、中鎖ホモPHAは、総炭素数が6~12個のモノマーのうち1種類のみから構成されるPHAのことを指す(図1)。本稿では、中鎖ホモPHAの中でも特にポリヒドロキシデカン酸(P(3HD)、以降C10ホモPHA)とポリヒドロキシドデカン酸(P(3HDD)、以降C12ホモPHA)について紹介する。

3.1 微生物を用いた発酵生産
 中鎖ホモPHAは、遺伝子組換え大腸菌などを用いて発酵生産することができる。大腸菌はもともとPHAを合成しない微生物であるため、PHA合成関連遺伝子を導入し、さらにβ酸化系と呼ばれる脂肪酸分解経路を関連遺伝子の破壊によって遮断すると、ポリマー原料として与えた脂肪酸の炭素数がそのままモノマー炭素数に反映され、中鎖ホモPHAが合成される(図2(B))。代謝改変をしていない天然の微生物では脂肪酸分解経路が1周する度にC2化合物であるアセチルCoAが生成され、脂肪酸の炭素数が

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