JP5534267B2 - ボトリオコッカス・ブラウニー(Botryococcusbraunii)属の新規株 - Google Patents

ボトリオコッカス・ブラウニー(Botryococcusbraunii)属の新規株 Download PDF

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Description

本発明は、幅広い培養条件で生育でき、且つ産生炭化水素含量が高く、目的の炭化水素の純度が高い、ボトリオコッカス・ブラウニーに属する新規株に関する。
近年、地球温暖化対策として大気中の二酸化炭素削減技術の開発が盛んに進められている。また、化石燃料枯渇に対する危機感から、再生可能なエネルギーの開発も進められている。再生可能エネルギーには太陽光発電、風力発電が実用化されているが、光エネルギーにより水と二酸化炭素を炭化水素に変換する光合成生物の利用も関心が集まっている。
エネルギー資源として注目されている光合成生物として藻類が挙げられ、中でも緑藻類及び珪藻類が注目されている。通常の緑藻類は、その構成成分中の15〜17%が脂質であり、この脂質は、大きく中性脂質(30%)、糖脂質(37%)、リン脂質(26%)及び脂肪酸を含まない脂質(7%)に分けられる。
特に近年、オイル生産緑藻として注目を集めているのが、ボトリオコッカス・ブラウニー(Botryococcus braunii)である。このボトリオコッカス・ブラウニーが産生する脂質の主成分は炭素と水素からなる炭化水素であり、細胞内及び細胞外に直鎖アルケンやトリテルペン等の炭化水素を蓄積することが知られている。
産生する炭化水素の構造上の特徴を基に、ボトリオコッカス・ブラウニーはレース−A、レース−B及びレース−Lの3つに分類される。レース−Aは、25〜31個の奇数の炭素数を有し、直鎖で、分子内に2又は3個の二重結合を有する炭化水素を産生する群、レース−Bは、Cn2n-10(n=30〜37)で表されるトリテルペン構造を有する炭化水素を産生する群、レース−Lは、テトラテルペンのリコパジエン(lycopadiene)(C4078)構造を有する炭化水素を産生する群、と定義される。
各々の群に属するボトリオコッカス・ブラウニーの炭化水素含有量については、既報の文献を参照できる。レース−Aでは、株によって変動があり、0.4〜61.0%(乾燥藻体重量に対する炭化水素の重量)の範囲であると報告されている(非特許文献1)。レース−Bでは、重量当たり、30〜40%の炭化水素を産生するものが多いが、9%程度しか産生しない株も報告されている(非特許文献2)。レース−Lでは、インドの株で0.1%、タイの株で8.0%と報告されており(非特許文献3)、レース−Bと比較すると少ないことがわかっている。また、これらの炭化水素の組成は様々な炭素鎖長及び/又は構造を有するものの混合物である。
これらの炭化水素は、処理を行わずに固形燃料や重油として熱エネルギー生産に利用することも可能であるが、さらに加工して利用する場合は、均一の化合物を得るために原料となる炭化水素が均一の組成であることが好ましい。また、ボトリオコッカスの応用利用のための生理的な研究のモデルとしても、シンプルな炭化水素合成経路を有する株が必要とされていた。
また、ボトリオコッカスの産業化実現のための課題として、低コストの大量培養方法の確立が上げられるが、コストを抑えるためには屋外で日光を利用して培養を行う必要がある。この場合、主に光量が増殖の制限要因となることから、日射量の多い時期又は場所で、低水位のプールや厚さの薄いバイオリアクターを使って培養を行う方法が、最も効率的である。しかし、そのような方法で培養を行うと、水温が上昇するため、増殖至適温度が15℃から30℃であり、35℃以上では増殖を停止する既存のボトリオコッカスは、最も日射量の多い時間に増殖が停止してしまう。実際に、2006年7月につくば市において、深さ10センチメートルの水位のリアクターで屋外培養を行ったところ、最高水温は37℃に達した。したがって、35℃以上の高温に増殖至適温度を持つ株が望まれていた。
特開平9−9953
Metzger, P., Berkaloff, C., Coute, A., Casadevall, E.(1985) Alakdiene- and botryococcene- producing races of wild strains of Botryococcus braunii. Phytochemistry 24, 2305-2312. Okada, S., Murakami, M., Yamaguchi, K.(1995) Hydrocarbon composition of newly isolated strains of green alga Botryococcus braunii. J. Appl. Phycol.7, 555-559. Metzger, P., Pouet, Y., Summons, S.(1997) Chemotaxonomic evidence for similarity between Botryococcus braunii L race and Botryococcus neglectus. Phytochemistry 24, 2305-2312.
本発明は、上記要請に鑑み、産生される炭化水素の純度が高く、且つ幅広い培養条件で生育できる、ボトリオコッカス・ブラウニーの新規株を提供することを課題とする。
本発明者等は、ボトリオコッカス・ブラウニーを自然界より採取し、多数の系統的に異なるサブグループを有する属の中から、上記課題を解決する株を見出し、これを単離し、本発明を完成させるに至った。
(1)本発明は、産生される全炭化水素に対して分子式C3458を有する炭化水素を60質量%以上産生する、ボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株を提供する。
(2)本発明は、培養至適温度が30℃以上である、(1)に記載のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株を提供する。
(3)本発明は、ボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株(受領番号:FERM ABP−11441、受託機関:産業技術総合研究所 特許生物寄託センター)を提供する。
(4)本発明は、式(I)
の構造を有する分子式C3458を有する炭化水素を産生する、(1)〜(3)のいずれかに記載のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株を提供する。
(5)本発明は、(1)〜(4)のいずれかに記載のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株から、炭化水素を製造する方法を提供する。
本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bの新規株は、高純度の炭化水素を産生でき、且つ幅広い培養条件で生育できる。
具体的には、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株は、炭素数34の炭化水素を高純度に産生するために、重油相当のオイルとして船舶や農耕作業用車に直接利用でき、さらに既存の触媒クラッキングシステムにより、軽油、ナフサ、灯油、ガソリンに直接転換することができる。また、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株は、培養温度が約10℃〜45℃、好ましくは約15℃〜40℃で培養可能であり、特に約39℃でも培養可能である。他のボトリオコッカス属の藻類は35℃以上では増殖しないため、例えば、培養温度を一般的に約35℃超に設定することにより、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株を選択的に得ることができるという利点を有する。また、屋外での温度制御が困難な状況、例えば日照量の多い日中に培養温度が高温になった場合にも、培養が可能であるという利点を有する。
図1は、ボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株の細胞を押し潰した顕微鏡写真を示す。 図2は、ボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株の細胞の顕微鏡写真を示す。 図3は、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株と、様々なボトリオコッカス属の藻類(A〜G)の培養温度の比較を示す。 図4は、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株の培養温度に対する比増殖速度を示す。
1.本発明の新規株
本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bの新規株は、以下の特徴を有する。
外観的特徴:
肉眼で見えるコロニーは球形で、黄緑色〜緑色である。顕微鏡下で押し潰すとブドウの房状のコロニーとして観察される(図1)。コロニーのサイズは平均的には30-100μm、最大で500μmに達する。
細胞の形状的特徴:
形状;通常はこん棒状で、細胞壁をもつが、細胞壁の周りにさらにソケットウオールと呼ばれる外殻を形成し得る(図2)。細胞から分泌された炭化水素は細胞と外殻に間に蓄積し得る。
大きさ;短径約8μm、長径約14μm、でその比は1.8程度である。
なお、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株は、独立行政法人産業技術総合研究所 特許生物寄託センター(日本国茨城県つくば市東1丁目1番地1 中央第6(郵便番号 305−8566))に2010年12月9日付で国内寄託し、受託番号FERM P−22046を得ている。その後2011年11月25日付で同研究所においてブタペスト条約に基く国際寄託に移管されて、受領番号FERM ABP−11441が付与されている。
また、本発明の高純度の炭化水素の製造方法に用いる微生物は、前記ボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株に限らず、上述したボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bの株と実質的に同一の菌学的性質を有する菌株であればいずれの菌株も使用することができる。
2.ボトリオコッカス属藻類の分離
本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bの新規株は、湖沼や池から採取した、ボトリオコッカス属の藻類を含むサンプルから、以下の方法を用いて分離することができる。
上記のボトリオコッカス属の藻類を含むサンプルは、例えば、湖沼や池から、網目30〜100μmのプランクトンネット等を用いて採取できる。
上記のボトリオコッカス属の藻類を含むサンプルに、有効塩素を作用させ、ボトリオコッカス属以外の微生物を殺菌する。この場合、処理されるサンプルを、あらかじめ適当な培地で培養して藻類を増殖させておいてもよい。培地としては、CHU培地、JM培地、MDM培地、AF−6培地等が挙げられるが、ボトリオコッカス属の藻類の培地として適切なものであれば、特に制限されない。また、この有効塩素を作用させる前に、ボトリオコッカス属のコロニーを、例えば遠心分離、濾過、又は顕微鏡下でマイクロピペットを用いる等の手段により分離してもよい。
上記の通りサンプルを有効塩素で処理した後に、当該サンプルをそのまま使用してもよいが、藻体を濾過又は遠心分離等により分離し、培養液に懸濁する操作を繰り返すことなどにより洗浄することが好ましい。
続いて、上記有効塩素で処理したサンプルを、ボトリオコッカス属の藻類の培養に適した培地、例えば、CHU培地、JM培地、MDM培地、AF−6培地等のプレート培地に塗布して培養を行う。培地のpHは、pH1〜14、好ましくは、pH2〜13、より好ましくはpH3〜11、さらにより好ましくは、pH4〜10とすることができる。培養温度は、通常0〜50℃、好ましくは5〜40℃、より好ましくは10〜30℃の範囲で行うことができる。また、培養は蛍光灯等を用いて光照射下で行う。この光照射は、連続で行っても、間隔を置いて一定時間照射してもよい。時間間隔としては、1〜72時間、好ましくは1〜24時間、より好ましくは1〜12時間から選択できる。また、照度は、通常0〜300μE/m2/s、好ましくは、5〜100μE/m2/sで行う。培養期間は、通常、1〜60日、好ましくは1〜30日間行う。
その後、プレート培地に生じたボトリオコッカス属の藻類の単一コロニーを採取することにより、ボトリオコッカス属藻類の単一株が得られる。単一コロニーを採取する際は、顕微鏡下で行ってもよい。
次に、上記の通り分離した株を、液体培地で培養する。液体培地の種類としては、例えば、CHU培地、JM培地、MDM培地、AF−6培地、又はこれらの改変培地を用いて行うことができる。培地のpHは、pH1〜14、好ましくは、pH2〜13、より好ましくはpH3〜11、さらにより好ましくは、pH4〜10とすることができる。培養温度は、通常0〜60℃、好ましくは5〜50℃、より好ましくは10〜40℃の範囲で行うことができる。また、培養は蛍光灯等を用いて光照射下で行う。この光照射は、連続で行っても、間隔を置いて一定時間照射してもよい。時間間隔としては、1〜72時間、好ましくは1〜24時間、より好ましくは1〜12時間から選択できる。また、照度は、通常0〜300μE/m2/s、好ましくは、5〜100μE/m2/sで行う。培養期間は、通常、1〜5ヶ月、好ましくは1〜3ヶ月行う。また、培養の際には、通気を行っても、通気を行わずに静置してもよいが、通気を行わずに静置する方が好ましい。
3.至適培養条件の検討
上記の液体培地での培養の際に、温度を変化させ、クロロフィル量を測定することにより、増殖至適温度を調べることができる。この場合、例えば、48穴マイクロプレート等で培養を行い、マイクロプレートリーダーでクロロフィル量を測定することができる。
4.ボトリオコッカス属の藻類が産生する炭化水素の抽出及び分析
ボトリオコッカス属の藻類が産生する炭化水素は、当業者に既知の方法で抽出及び分析することができる。例えば、ボトリオコッカス属の藻類を培養して増殖させ、得られた培養液から濾過等により回収した湿藻体を、凍結乾燥又は加温による乾燥等により乾燥させる。その後、この藻体乾燥物から有機溶媒を用いて炭化水素を抽出することができる。抽出は、異なる有機溶媒を用いて2度以上行ってもよい。有機溶媒としては、n−ヘキサン、クロロホルム:メタノール混合物(例えば、1:1、1:2)等を用いることができる。好ましくは、クロロホルム:メタノール混合物で抽出後、例えば、窒素気流下で濃縮乾固し、再びn−ヘキサンで抽出する。得られた抽出液を、NMR,IR、ガスクロマトグラフィー、GC/MS等により分析する。
上記の手順により得られたボトリオコッカスから産生された炭化水素を、上記の手順で分析し、全炭化水素に対して、分子式C3458(分子量466)を有する炭化水素を80%以上産生するボトリオコッカスをスクリーニングすることにより、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株が得られる。
さらに、至適培養温度が30℃以上であるボトリオコッカスをスクリーニングすることにより、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株が得られる。
ここで、培養温度とは液体培養における、液体培地の温度のことを言う。また、至適培養温度とは、培養温度に対する比増殖速度をプロットした場合、比増殖速度が極大となる培養温度のことを言う。ここで、比増殖速度とは、単位時間当たりの細胞量の増加と定義され、以下の式により求めることができる。
比増殖速度(μ)=ln (N2/N1) / (t2−t1
ここでN2、N1はそれぞれ時間t2およびt1の時のバイオマスである。
5.炭化水素
本願発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株から得られる炭化水素は以下の特徴を有する。
産生される炭化水素は、藻体に対して、乾燥重量で、20〜70質量%、好ましくは25〜65質量%、より好ましくは30〜60質量%、さらにより好ましくは30〜50質量%があり得る。
産生される全炭化水素中、最も含有量が高い炭化水素の割合は、60質量%以上、好ましくは70質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上、最も好ましくは100質量%で存在する。
前記最も含有量が高い炭化水素以外の炭化水素としては、その異性体、例えば、幾何異性体が含まれてもよい。
前記最も含有量が高い炭化水素は、分子式C3458(分子量466)の炭化水素である。当該炭化水素は、任意の位置に二重結合を有してよく、あるいはシクロヘキセンであってもよい。好ましくは、当該炭化水素は、以下の式(I)の構造式を有する。
6.本発明で得られる炭化水素の利用
本発明で得られる炭化水素は、直接燃料として使用することができる。一方、内燃機関の燃料として使用する場合は、熱分解や触媒を用いるクラッキング等の処理が必要になる。一例として、触媒クラッキングにより環化させ、芳香族炭化水素を生成する方法が知られている(Banerjee A., et al., Critical Reviews in Biotechnology (CRC Presss), 22)。得られる炭化水素の末端ビニル基を選択的に酸化して、メエチルケトン誘導体(C3456O)にして利用する方法も知られている(Chisti, Y. J. Ramasay Society, 27-28, 24-26, 1980)。また、得られる炭化水素をカチオン重合、ラジカル重合や紫外線によって重合させ、高分子材料として利用してもよい。
以下に、本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−B株の分離及び産生される炭化水素の分析を実施例として示すが、本願発明の請求の範囲は、これらの実施例により制限されるものではない。
1.培養及び分離
日本各地の湖沼や池から網目30〜100μmのプランクトンネットを用いてボトリオコッカスを含むサンプルを採取した。このサンプルからボトリオコッカスのコロニーを顕微鏡下でマイクロピペットを用いて分離し、これを有効塩素濃度約0.1%になるように添加したAF−6培地に浸けてボトリオコッカス以外の微生物を殺菌した後、AF−6培地(表1)で3回洗浄し、22℃、12時間毎光照射下で培養を行った。その後、三角フラスコに200mlのChu改変培地(表2)と培養した株を加え、25℃、12時間毎光照射下で1〜3ヶ月培養を行った。
2.炭化水素の分析
得られたボトリオコッカスの培養液を、5μm孔のフィルターで濃縮し、凍結乾燥し、クロロホルム・メタノール(2:1,V/V)を用いて総脂質を抽出し、濃縮乾固後、n−ヘキサンで再抽出した。この試料を以下に示す手順でGC/MSにより解析した。
分析条件:GC(ガスクロマトグラフィー)条件は、カラム長:30m、内径:0.25φmm、Df:0.25μm、カラム:DB−5MS、スプリットレシオ:スプリットレス、キャリアガス:He、流速:1.0ml/分、注入温度:280℃、カラム温度:60℃(2分)→280℃(5℃/分、5分維持)の条件で行った。セパレーター温度:280℃であった。MS(重量分析)条件は、モデル:Mstation MS−700KII、イオン源(EI及びCI、CIの場合positive、ガス:イソブテン)イオン化電流:200マイクロA、イオン源真空:4×10-4Pa、イオン化エネルギー:38eV、分析管真空:1.0×10-5Pa、加速電圧:8.0kV、チャンバー温度:200℃、イオンMult.1.0kV、磁場:HS、の条件で行った。また高分解能GC/EI−MSからexact m/zを測定した。
3.至適培養温度の測定
得られたボトリオコッカス株を、Chu改変培地をあらかじめ添加した48穴マイクロプレートに播種し、10〜40℃の培養庫で培養し、クロロフィル量の増加速度をマイクロプレートリーダーで測定した。
4.結果
以上の方法で多数の株について炭化水素構成成分と至適培養温度を調べたところ、沖縄本島漢那ダムから得られた株は単一の分子量の炭化水素のみ(92%が単一物質、8%はその幾何異性体)を生産するものであり、他の株は生育しない35℃付近で増殖が可能であることがわかった(図3)。
この株をボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株として受託機関:産業技術総合研究所 特許生物寄託センター(日本国茨城県つくば市東1丁目1番地1 中央第6(郵便番号 305−8566))に国内寄託した(受託番号:FERM P−22046)。その後2011年11月25日付で同研究所においてブタペスト条約に基く国際寄託に移管されて、受領番号FERM ABP−11441が付与されている。
ボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株の特徴は、以下の通りである。
−培養至適温度が30〜36℃であり、15〜40℃で培養可能である(図4)。
−pH4〜10の幅広いpH範囲で培養可能である。
−ステンレス、セラミック等に付着しやすい。
−細胞はこん棒状の形状であり、長さは平均で約14μm、幅は平均で約7.6μmで、その比は1.8程度である。
−コロニーは黄緑色〜緑色で、こん棒状の細胞の先端がコロニーから突出している形状を示し、サイズは通常は30〜100μm、最高で500μmに達する。
−産生した炭化水素を細胞外に分泌し、細胞と細胞を囲むソケットウォールと呼ばれる外殻の間に蓄積し、コロニー内に保持する。
−コロニー内に蓄積された炭化水素はガラスカバーを載せると簡単に外部に流出してくる。
−細胞内にも多数の炭化水素を含む顆粒状構造が観察される。
特に、培養可能温度に着目すると、通常のボトリオコッカス属の藻類は35℃以上では増殖しないため、35℃以上で培養することにより本発明のボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株のみを選択的に得ることができる。
ボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株の産生する炭化水素を、GC/MS、1H、及び13C−NMRにより構造確認し、以下に示す式(I)の構造を有する分子内にビニル基が5個存在する炭化水素であることを確認した。表3は、GS/MS測定の結果を示す。
Botryococcus tsukuba 1 FERM ABP−11441

Claims (4)

  1. 培養至適温度が30℃以上であり、35℃以上で培養可能であり、産生される全炭化水素に対して式(I)
    の分子式C3458を有する炭化水素を60質量%以上産生する、ボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株。
  2. 39℃以上でも培養可能である、請求項1記載のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株。
  3. 前記ボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株が、ボトリオコッカス・ブラウニー・tsukuba−1株(受領番号:FERM BP−11441)である、請求項1又は2に記載の株。
  4. 請求項1〜のいずれか1項に記載のボトリオコッカス・ブラウニー・レース−Bに属する株を用いる、炭化水素の製造方法。
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