微生物はグリーンバイオマニュファクチャリングに多大に貢献できる (Tiny Microbes Could Brew Big Benefits for Green Biomanufacturing)

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2023-05-08 アメリカ合衆国・ローレンスバークレー国立研究所(LBNL)

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・ LBNL とカリフォルニア大学バークレー校(UCB)が、自然にはない新たな炭素物質をバクテリアに生産させる技術を開発。

・ 化石燃料に依存する化学物質生産プロセスを代替し、持続可能な生化学物質への安定した経路を提供する可能性が期待できる。

・ 自然の酵素反応と「カルベン転移反応」と呼ばれる新たな反応を組み合わせた技術で、糖を与えたバクテリアの細胞内で天然の酵素からカルベンに至るまで様々な化学物質を合成する。

・ カルベンは、多種類の反応に利用可能な反応性の極めて高い炭素ベースの化学物質。長年にわたり燃料や化学物質の製造をはじめ創薬や薬剤合成でカルベン反応の利用が望まれているが、現在は試験管による小バッチでの利用に限られ、反応促進には高価な化学物質が必要。

・ 本研究では、遺伝子操作した Streptomyces 属のバクテリアが生産する天然の物質により高価な化学反応体を代替し、有害な化学物質不使用でカルベン化学反応を実現。糖を使用した細胞代謝を通じて化学物質を生産するバクテリアによるバイオプロセスは、現行の化学物質合成よりも環境に優しい。

・ 遺伝子操作したバクテリアの代謝作用において、糖がカルベン前駆体とアルケン基質へと変換されることを実験にて確認。また、P450 酵素も発現し、これらの化学物質からシクロプロパンを生産した。シクロプロパンは、新たな生物活性化合物と高度なバイオ燃料の持続可能な生産に利用できる可能性のある高エネルギー分子。

・ 温暖化ガス排出量の 50%近くが化学物質、鉄鋼やセメント生産由来であるため、化学物質合成でのバクテリアの利用は炭素排出低減においても重要な役割を担う。気候変動に関する政府間パネル(IPCC) によると、平均気温上昇を産業革命以前と比較して 1.5℃に抑えるには、2030 年までに温室効果ガスの排出量を半減させる必要がある。

・ 本研究は、米国エネルギー省(DOE) 科学局および生物・環境研究局(BER)が支援した。米国立科学財団(NSF)が追加的な支援を提供した。

URL: https://newscenter.lbl.gov/2023/05/08/tiny-microbes-could-brew-big-benefits-for-green-biomanufacturing/

関連情報

Nature 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)

Complete integration of carbene-transfer chemistry into biosynthesis

URL: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06027-2

Abstract

Biosynthesis is an environmentally benign and renewable approach that can be used to produce a broad range of natural and, in some cases, new-to-nature products. However, biology lacks many of the reactions that are available to synthetic chemists, resulting in a narrower scope of accessible products when using biosynthesis rather than synthetic chemistry. A prime example of such chemistry is carbene-transfer reactions1. Although it was recently shown that carbene-transfer reactions can be performed in a cell and used for biosynthesis2,3, carbene donors and unnatural cofactors needed to be added exogenously and transported into cells to effect the desired reactions, precluding cost-effective scale-up of the biosynthesis process with these reactions. Here we report the access to a diazo ester carbene precursor by cellular metabolism and a microbial platform for introducing unnatural carbene-transfer reactions into biosynthesis. The α-diazoester azaserine was produced by expressing a biosynthetic gene cluster in Streptomyces albus. The intracellularly produced azaserine was used as a carbene donor to cyclopropanate another intracellularly produced molecule—styrene. The reaction was catalysed by engineered P450 mutants containing a native cofactor with excellent diastereoselectivity and a moderate yield. Our study establishes a scalable, microbial platform for conducting intracellular abiological carbene-transfer reactions to functionalize a range of natural and new-to-nature products and expands the scope of organic products that can be produced by cellular metabolism.

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