天然物薬品学 発酵による有用物質の生産

アミノ酸発酵

ビールは大麦から 味の素はサトウキビから

ビール 大麦 麦芽 煮汁 麦芽糖 エタノール 味の素 砂糖 サトウキビ 糖蜜 廃糖蜜 ショ糖 グルタミン酸 デンプンの糖化 ビール酵母（Saccharomyces cereviciae） 味の素 砂糖 サトウキビ 糖蜜 廃糖蜜 ショ糖 グルタミン酸 Corynebacterium glutamicum

一次代謝産物 生物が生産し，その生物の個体維持，種族維持に必須な役割を持つ有機化合物 アミノ酸，核酸，脂肪酸など 多くの生物種に共通の生合成系 二次代謝産物 生物が生産し，その生物の個体維持，種族維持に必須な役割を持たない有機化合物 抗生物質，色素，アルカロイドなど その生物種に独自の生合成系

グルタミン酸発酵 Corynebacterium glutamicum NH3 NADH グルタメート デヒドロゲナーゼ α−オキソグルタル酸 L-グルタミン酸

グルコース アンモニア グルタミン酸 TCA回路 ホスホエノールピルビン酸 CO2 ピルビン酸 アセチル−CoA クエン酸 オキサロ酢酸 α−オキソグルタル酸 グルタミン酸 TCA回路

アミノ酸生合成の代謝調節

フィードバック阻害による生合成の調節 フィードバック阻害 コリスミン酸 アントラニル酸 合成酵素 アントラニル酸 プレフェン酸 チロシン 鍵酵素 コリスミン酸 L-トリプトファン アントラニル酸 合成酵素 フィードバック阻害 アントラニル酸 プレフェン酸 チロシン フェニルアラニン

協奏フィードバック阻害によるリシン生合成調節 L-メチオニン 鍵酵素 L-アスパラギン酸 β−セミアルデヒド L-アスパラギン酸 L-ホモセリン アスパルト キナーゼ 協奏フィードバック阻害 L-トレオニン L-リシン

リプレッションによる生合成調節 コリプレッサー （トリプトファン） アポリプレッサー リプレッサー トリプトファン生合成遺伝子 プロモーター

アテニュエーションによる生合成調節 転写 ・原核生物では転写の最中に翻訳が始まる ・タミネーターヘアピンの形成により転写は終結する リーダーペプチド 転写 ヒスチジン不足 MTRVQFKHHHHHHHPD ヒスチジン生合成遺伝子 mRNA リボソーム 弱い対合 ヒスチジン過剰 MTRVQFKHHHHHHHPD タミネーターヘアピン

代謝制御発酵 前駆体添加による生産 トリプトファン発酵・・・アントラニル酸添加 アナログ耐性変異によるフィードバック調節の解除 　トリプトファン発酵・・・アントラニル酸添加 アナログ耐性変異によるフィードバック調節の解除 　リシン発酵・・・リシンアナログの耐性変異 栄養要求変異によるフィードバック調節の解除 　リシン発酵・・・トレオニン生合成酵素の欠失変異 生産物の細胞外への排出 　グルタミン酸発酵・・・ビオチン制御

前駆体添加によるトリプトファン発酵 フィードバック阻害 アントラニル酸添加 アントラニル酸 コリスミン酸 Hansenula anomala 合成酵素 フィードバック阻害 コリスミン酸 アントラニル酸 Hansenula anomala

前駆体添加によるトレオニン発酵 協奏フィードバック阻害 Proteus rettgeri L-ホモセリン添加 アスパルト キナーゼ

アナログ耐性変異株によるトレオニン発酵 協奏フィードバック阻害 Brevibacterium flavum 変異 アスパルト キナーゼ 2-ヒドロキシノルバリン L-リシン 協奏フィードバック阻害 Brevibacterium flavum

アナログ耐性変異株によるリシン発酵 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum 変異 アスパルト キナーゼ ホモセリン デヒドロゲナーゼ L-リシン S-(2-アミノエチル)-L-システイン 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum

栄養要求変異株によるリシン発酵 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum ホモセリン 要求変異株 欠損 アスパルト キナーゼ ホモセリン デヒドロゲナーゼ L-リシン 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum

アナログ耐性・栄養要求変異株によるリシン発酵 ホモセリン 要求変異株 L-トレオニン 欠損 変異 アスパルト キナーゼ ホモセリン デヒドロゲナーゼ L-リシン S-(2-アミノエチル)-L-システイン 協奏フィードバック阻害 Corynebacterium glutamicum

生産物の細胞外への排出 グルタミン酸発酵 Corynebacterium glutamicum 生育因子ビオチンを制限して培養 過剰のグルタミン酸 生育因子ビオチンを制限して培養 フィードバック阻害 膜の透過性変化 グルタメートデヒドロゲナーゼ グルタミン酸を排出 細胞内グルタミン酸濃度低下 フィードバック阻害の解除

微生物酵素によるアミノ酸の生産

微生物酵素によるアスパラギン酸とアラニンの製造 Pseudomonas dacunhae 菌体 フマル酸 E. coli 菌体 + アスパルターゼ アスパラギン酸 β−デカルボキシラーゼ NH3 L-アスパラギン酸 L-アラニン

Pseudomonas thiazolinophilum 微生物酵素によるシステインの製造 Pseudomonas thiazolinophilum L-ATCヒドロラーゼ SCCヒドロラーゼ + DL-2-アミノチアゾリン- 4-カルボン酸 （DL-ATC） D-ATC S-カルバモイル- L-システイン （SCC） L-システイン ATCラセマーゼ

Hyphomicrobium methylovorum 微生物酵素によるセリンの製造 メタノール資化性菌 Hyphomicrobium methylovorum 静止菌体 + HCHO グリシン ホルムアルデヒド L-セリン セリン ヒドロキシメチル トランスフェラーゼ

微生物酵素によるアミノ酸の光学分割 Aspergillus oryzae アミノアシラーゼ N-アセチル- N-アセチル- + N-アセチル- DL-メチオニン N-アセチル- D-メチオニン L-メチオニン Streptomyces sp. N-アシルアミノ酸 ラセマーゼ

核酸発酵

グアニル酸（GMP） シイタケの旨味成分 イノシン酸（IMP） カツオ節の旨味成分 ・細胞膜を透過しにくい ・分解酵素の活性が高い

酵素分解法 AMP，GMP UMP，CMP 酵母RNA AMP IMP Penicillium citrinum 5'−ホスホジエステラーゼ Aspergillus melleus AMPデアミナーゼ AMP IMP

核酸発酵における 代謝調節 PRPP アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ IMP AMP SAMP XMP IMP GMP イノシン フィードバック 阻害 フィードバック 阻害 5-ホスホリボシル- 1-アミン アデニロコハク酸 合成酵素 IMP デヒドロゲナーゼ GMP 合成酵素 GMP レダクターゼ IMP AMP SAMP XMP IMP GMP ヌクレオチダーゼ ヌクレオチダーゼ フィードバック 阻害 イノシン ヌクレオシダーゼ グアノシン ヒポキサンチン

栄養要求変異株によるイノシン発酵 AMP SAMP 欠損 IMP GMP 欠損 XMP アデニン 要求変異株 キサンチン 要求変異株 PRPP アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ フィードバック 阻害 フィードバック 阻害 アデニロコハク酸 合成酵素 IMP デヒドロゲナーゼ AMP SAMP 欠損 IMP GMP 欠損 XMP アデニン 要求変異株 キサンチン 要求変異株 イノシン Corynebacterium ammoniagenes 欠損 Bacillus subtilis ヌクレオシダーゼ ヒポキサンチン

栄養要求・アナログ耐性変異株によるグアノシン発酵 Corynebacterium ammoniagenes，Bacillus subtilis PRPP 変異 アミドホスホリボシルトランスフェラーゼ フィードバック 阻害 フィードバック 阻害 アデニロコハク酸 合成酵素 IMP デヒドロゲナーゼ GMP 合成酵素 GMP レダクターゼ AMP SAMP 欠損 IMP XMP GMP 欠損 IMP アデニン 要求変異株 8-アザグアニン フィードバック 阻害 8-aza-GMP グアノシン

微生物酵素によるヌクレオシドのリン酸化 Morganella morganii 酸性ホスファターゼ ピロリン酸 リン酸 イノシン R = H グアノシン R = NH2 イノシン酸 R = H グアニル酸 R = NH2

プリンヌクレオチド発酵 Corynebacterium ammoniagenes ヌクレオチダーゼ活性弱い AMP SAMP 欠損 IMP アデニロコハク酸 合成酵素 GMP 合成酵素 AMP SAMP 欠損 IMP XMP 欠損 GMP アデニン 要求変異株 Mn2+ 非感受性株 グアニン 要求変異株 Mn2+制限下 培地中 培地中 イノシン酸（IMP） キサンチル酸（XMP）

Corynebacterium ammoniagenes 菌体（界面活性剤処理） 複合細胞反応によるヌクレオチド製造 Corynebacterium ammoniagenes 菌体（界面活性剤処理） CO2 グルコース CO2 グルコース ATP ADP ATP ADP イノシン IMP XMP GMP イノシンキナーゼ XMPアミナーゼ E. coli 菌体（界面活性剤処理）

糖質発酵

ペントースリン酸経路とリボース発酵，エリトリトール発酵 キシルロース 5ｰリン酸 セドヘプチュロース 7ｰリン酸 フルクトース 6ｰリン酸 要求変異株 グルコース エリトリトール H C 2 O Trp トランス ケトラーゼ Phe 欠損 Tyr シキミ酸 リブロース 5ｰリン酸 D-エリトロース リボース 5ｰリン酸 グリセルアルデヒド 3ｰリン酸 エリトロース 4ｰリン酸 D-リボース 甘味料 B. subtilis Aureobasidium sp. 医薬品合成原料

ソルボース発酵 Gluconobacter oxydans 合成 合成 D-グルコース L-アスコルビン酸 D-ソルビトール L-ソルボース

マンニトール発酵 Lactobacillus intermedius 医薬（利尿薬） 化粧品保湿剤 甘味料 D-フルクトース

グルコサミン発酵 Aspergillus niger 加水分解 トウモロコシデンプン 菌体細胞壁キチン 植物から生まれた発酵グルコサミン ？ D-グルコサミン 植物から生まれた発酵グルコサミン　？ 健康補助食品 植物由来のグルコサミン　？？ 植物由来の原料から抽出したグルコサミン　？？？

微生物酵素による糖質の生産

フルクトースの製造 D-グルコース グルコースイソメラーゼ Streptomyces griseofuscus D-フルクトース 甘味料

フラクトオリゴ糖の製造 スクロース インベルターゼ Aspergillus niger 1-ケストース（フラクトオリゴ糖の1成分） 甘味料 α-D-グルコース β-D-フルクトース スクロース インベルターゼ Aspergillus niger β-D-フルクトース 1-ケストース（フラクトオリゴ糖の1成分） 甘味料 腸内でビフィズス菌を増殖

トレハロースの製造 デンプン マルトオリゴシル トレハロース 合成酵素 マルトオリゴシル トレハロース トレハヒドロラーゼ トレハロース α-D-グルコース デンプン マルトオリゴシル トレハロース 合成酵素 マルトオリゴシル トレハロース トレハヒドロラーゼ α-D-グルコース トレハロース Arthrobacter sp. 甘味料 保湿剤 タンパク質保護剤

シクロデキストリンの製造 Bacillus stearothermophilus シクロマルトデキストリン グルカノトランスフェラーゼ デンプン 内部：疎水性 外部：親水性 疎水性の物質を包接　→　水に溶解 不安定物質を保護 α-D-グルコース×6 αｰシクロデキストリン α-D-グルコース×7 βｰシクロデキストリン α-D-グルコース×8 γｰシクロデキストリン

イソマルチュロースの製造 Protaminobacter rubrum α－グルコシル トランスフェラーゼ スクロース α-D-グルコース α－グルコシル トランスフェラーゼ スクロース D-フルクトース イソマルチュロース（パラチノース） 虫歯菌（Streptococcus mutans）に利用されにくい甘味料

発酵による多糖生産 多糖類 構成糖 発酵微生物 用途 多糖類 構成糖 発酵微生物 用途 デキストラン α-1,6ｰグルカン Leuconostoc 血漿増量剤 　mesenteroides クロマトグラフィー用樹脂 プルラン α-1,4/1,6ｰグルカン Aureobasidium 食品，製剤用のフィルム， 　pullulans 化粧品 ヒアルロン酸 D-グルクロン酸 Streptococcus 化粧品，眼科手術補助剤， N-アセチル-D-グルコサミン 　zooepidemicus 整形外科用注射剤，創傷の被覆剤 セルロース β-1,4ｰグルカン Acetobacter スピーカーの振動板 　xylinum キサンタンガム D-グルコース，D-マンノース Xanthomonas 化粧品，アイスクリーム用増粘剤 D-グルクロン酸 　campestris

その他の有用物質の生産

Saccharomyces cerevisiae アルコール発酵 Saccharomyces cerevisiae 糖質原料 （サトウキビ，テンサイ） エタノール 糖化 デンプン質原料 （トウモロコシ，麦） エタノール 酵素 アセトン・ブタノール発酵 Clostridium acetobutylicum デンプン ピルビン酸 ブタノール アセトアセチルCoA エタノール アセトン

有機酸発酵 生産物 発酵微生物 用途 クエン酸 Aspergillus niger 医薬，酸味料 生産物 発酵微生物 用途 クエン酸 Aspergillus niger 医薬，酸味料 グルコン酸 Aspergillus niger 医薬，食品用pH調整剤 ピルビン酸 Torulopsis glabrata 医薬，農薬，香料の原料 γ-リノレン酸 Mucor属 健康補助食品，化粧品 アラキドン酸 Mortierella alpina 健康補助食品 酢酸 Acetobacter aceti 乳酸 Lactobacillus delbrueckii フマル酸 Rhizopus nigricans コハク酸 Mucor rouxii

発酵によるビタミン・補酵素の生産 生産物 発酵微生物 用途 ビタミンB2 Ashbya gossypii 医薬品，栄養補助食品， 生産物 発酵微生物 用途 ビタミンB2 Ashbya gossypii 医薬品，栄養補助食品， Candida famata 食品添加物，飼料添加物 Bacillus subtilis遺伝子組換え体 ビタミンB12 Pseudomonas denitrificans 医薬品，栄養補助食品， Propionibacterium shermanii 食品添加物，飼料添加物 Propionibacterium freudenreichii コエンザイムQ10 酵母 医薬品，健康食品， Rhodobacter sphaeroides 化粧品

農業用・家畜用抗生物質

抗イネいもち病菌薬 抗イネ紋枯病菌薬 ブラストサイジンS カスガマイシン バリダマイシン Streptomyces griseochromogenes カスガマイシン Streptomyces kasugaensis 抗イネ紋枯病菌薬 バリダマイシン Streptomyces hygroscopicus

Streptomyces cacaoi var. asoensis 抗うどんこ病・灰色かび病菌薬 ポリオキシンB Streptomyces cacaoi var. asoensis 植物ホルモン ジベレリンA3 Gibberella fujikuroi イネばか苗病菌 種無しブドウの生産，果実の落下防止，成長促進

Streptomyces cinnamonensis ニワトリ コクシジウム病（原虫）治療薬 モネンシン Streptomyces cinnamonensis サリノマイシン Streptomyces albus ポリエーテル系抗生物質

イオノフォア 細胞膜：脂質二重膜 親水性のイオンは通過できない 分子の外側−親油性 分子の内側−親水性 イオンを包み込んで細胞膜通過 　親水性のイオンは通過できない 分子の外側−親油性 分子の内側−親水性 　イオンを包み込んで細胞膜通過 モネンシン

飼料添加用抗生物質による耐性菌の出現 抗グラム陽性菌抗生物質→家畜成長促進作用 EUでは使用禁止 　ポリエーテル・・・モネンシン，サリノマイシン，ラサロシド 　チオペプチド・・・チオペプチン，ノシヘプタイド 　グリコペプチド・・・アボパルシン 　環状ペプチド・・・バシトラシン，バージニアマイシン アボパルシン（バンコマイシン類似構造） ↓ バンコマイシン耐性腸球菌（VRE） EUでは使用禁止

除草剤 ビアラホス ホスフィノトリシン グルタミンシンターゼ Streptomyces hygroscopicus L-Glu L-Gln NH3 L-Glu L-Gln ビアラホス Streptomyces hygroscopicus ホスフィノトリシン

微生物が生産する阻害剤

研究用試薬として用いられる微生物由来阻害剤 阻害剤 阻害標的 主な生産菌 アフィディコリン DNA合成 Cephalosporium aphidicola アクチノマイシンD RNA合成 Streptomyces parvullus シクロヘキシイミド タンパク質合成（真核生物） Streptomyces griseus ピューロマイシン タンパク質合成（原核生物） Streptomyces alboniger アンチマイシンA 呼吸（complex III） Streptomyces olivochromogenes オリゴマイシン 呼吸（F1FO-ATPアーゼ） Streptomyces diastatochromogenes バフィロマイシンA1 V-ATPアーゼ Streptomyces griseus スタウロスポリン プロテインキナーゼ Streptomyces staurosporeus ウォルトマンニン PI3キナーゼ Penicillium wortmanni トリコスタチンA ヒストンデアセチラーゼ Streptomyces hygroscopicus ラクタシスチン プロテアソーム Streptomyces lactacystinaeus ツニカマイシン タンパク質糖鎖合成 Streptomyces lysosuperficus

微生物酵素の利用

医療用酵素 酵素 生産菌 酵素反応 用途 L-アスパラギナーゼ Escherichia coli アスパラギン分解 白血病，リンパ腫治療薬 酵素 生産菌 酵素反応 用途 L-アスパラギナーゼ Escherichia coli アスパラギン分解 白血病，リンパ腫治療薬 デキストラナーゼ Chaetomium erraticum デキストラン分解 虫歯予防 コレステロールオキシダーゼ Brevibacterium sterolicum コレステロール酸化 血中コレステロール測定 グルコースオキシダーゼ Aspergillus niger グルコース酸化 血中グルコース測定 ウリカーゼ Candida utilis 尿酸酸化 血中尿酸測定

産業用酵素 酵素 生産菌 酵素反応 用途 アルカリプロテアーゼ Bacillus licheniformis タンパク質分解 洗剤 酵素 生産菌 酵素反応 用途 アルカリプロテアーゼ Bacillus licheniformis タンパク質分解 洗剤 アルカリセルラーゼ Bacillus sp. セルロース分解 洗剤 リパーゼ Thermomyces lanuginosus 脂質分解 洗剤 α-アミラーゼ Bacillus licheniformis デンプン加水分解 デンプン液化 β-アミラーゼ Aspergillus oryzae デンプン加水分解 マルトース製造 プルラナーゼ Bacillus brevis デンプン側鎖分解 マルトース製造 グルコアミラーゼ Aspergillus niger デンプン加水分解 グルコース製造 セルラーゼ Trichoderma reesei セルロース加水分解 食品加工，繊維処理 凝乳プロテアーゼ Rhizomucor pusillus 凝乳 チーズ製造

微生物酵素による化合物変換

ニトリルヒドラターゼによるアミドの生産 アクリロニトリル アクリルアミド ニコチンアミド 3-シアノピリジン Pseudomonas chlororaphis 静止菌体 400 g/L Rhodococcus rhodochrous 静止菌体 650 g/L 3-シアノピリジン ニコチンアミド

パントテン酸の製造 Fusarium oxysporum ラクトナーゼ DL-パントラクトン D-パントイン酸 パントテン酸

アスパルテームの製造 Bacillus サーモリシン thermoproteolyticus ラセミ化 アスパルテーム + Z-L-アスパラギン酸 DL-フェニルアラニン メチルエステル Bacillus thermoproteolyticus サーモリシン ラセミ化 + Z-アスパルテーム D-フェニルアラニン メチルエステル アスパルテーム