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分野グループ・研究チームの紹介(食料)

食料4 船田研究チーム

植物バイオマス高度利用のための細胞壁分子構造解析

代表者について

氏名 船田 良
所属研究機関 農学研究院
部門 環境資源物質科学部門
役職 教授
URL http://kenkyu-web.tuat.ac.jp/Profiles/1/00000…

外国人研究者について

氏名 John Ralph
所属研究機関 ウィスコンシン大学(米国)
部門 Biochemical Biology System
役職 教授
URL https://biochem.wisc.edu/faculty/ralph

氏名 Edouard Pesquet
所属研究機関 ストックホルム大学(スウェーデン)
部門 Department of Ecology, Environment and Plant Sciences (DEEP)
役職 准教授
URL http://www.su.se/profiles/epesq-1.251402

研究者一覧

梶田 真也(農学研究院・教授)、吉田 誠(農学研究院・准教授)、半 智史(農学研究院・助教(テニュアトラック))、小瀬 亮太(農学研究院・助教(テニュアトラック))、堀川 祥生(テニュアトラック推進機構(農学研究院)・特任准教授)

研究概要

植物バイオマスを、再生可能な材料およびエネルギー源として高度に有効利用することは、環境と調和した循環型社会の構築に重要である。植物バイオマスの本体は細胞壁であり、細胞壁の性質がバイオマスの材料特性を決定する。さらに、植物の細胞壁は、細胞の形態や植物自体の体勢を維持する物理的機能、傷害の修復や外的からの防御に働く生物的機能、大気中の CO2 を長期間固定する機能、さらには外界の環境情報を体内へと伝える化学的機能など、植物の生存に対して多面的な役割を担っている。

細胞壁成分の中で最も豊富に存在するセルロースは、紙・パルプや繊維の構成成分として広く利用されてきたが、近年、化成品や液体バイオ燃料の原料としても着目されている。さらに、セルロースの結晶構造を活かして、微小繊維(セルロースナノファイバー、CNF)として活用することにも大きな注目が集まっており、CNFの有効利用は、日本再興戦略における重要な研究テーマの一つである。本チームでは、細胞壁が持つナノセルロースの特性の違いを産み出す要因を世界に先駆けて特定する。

研究目的

CNFは細胞壁からリグニンや非晶性の多糖(ヘミセルロース)を取り除いた化学パルプを原料として製造されてきたが、原料の違いやセルロース以外の細胞壁成分の存在状態の違いが最終的なナノセルロースの性質にどのような影響を与えるのか、については不明な点が多く残されており、緊急に解決すべき課題である。本研究では、植物バイオマス由来の新素材としての期待を集めるナノセルロースの特性を、原料である細胞壁側から解析する。

本研究グループで用いる種々の培養細胞からはリグニンを含まない一次壁細胞壁、およびリグニンを含む厚い二次壁細胞壁を主に合成することができる。また、培養時の光や温度、特定の添加物の有無などによる培養条件の変化により、異なる微細構造の細胞壁を持つ培養細胞を容易に調整することが可能である。
本研究では細胞壁の微細構造やセルロースやリグニン等の化学成分が異なる植物試料を使い、培養・栽培条件の変更や多糖分解酵素での処理などを行うことにより、多様な細胞壁原料を調整する。また、種々の原料を水中カウンターコリジョン(ACC)法によりナノセルロース化することで、これまでにはない新規な微細繊維の創出をめざす。さらに、原料となる種々の細胞壁の構造を、本チームの外国人研究者が開発した2次元核磁気共鳴分光法やリグニンに特異的な蛍光標識法、顕微観察技術等を駆使して、細胞壁が持つナノセルロースの特性の違いを産み出す要因を特定する。

研究計画

本研究チームは、植物バイオマスの本体である細胞壁の形成機構の解明や菌類による細胞壁の生分解機構の解明、細胞工学による細胞壁の構造改変、細胞壁の加工特性の評価を主たる目的として研究活動を行っている。異なる科学的背景を有するメンバーが研究対象となる【植物細胞壁】をハブとしてつながり、相互に補完的な技術を持ち合わせたチーム構成となっている。

研究材料となる植物の細胞の培養、植物体の増殖と栽培、各々からの細胞壁の調製とその分析、さらにACC法によるナノセルロースの調製を行う。培養細胞については、出発材料となる各種培養細胞の安定的な増殖と維持を本学で行う。得られた細胞壁試料は、微粉末化した後、最新の2次元NMRを用いて細胞壁の化学組成を分析する。

経時的に得られる種々の細胞壁試料の一部を、スーパー教授が開発したリグニンを特異的に標識可能な蛍光色素で標識し、蛍光の局在状態を指標に各細胞壁試料の微細構造を評価する。さらに、多糖分解酵素やACCでの段階的な処理に伴う蛍光の消長をLC/MSにより追跡し、処理条件の違いが細胞壁の微細構造へ与える影響を評価する。

種々のナノセルロースを用い、高分解能電子顕微鏡法によって繊維形態・サイズを、X線回折法によってセルロースの結晶性を、窒素ガス吸着法によってナノセルロースの比表面積を、疎水性溶媒およびポリマーへのナノセルロースの分散性からナノセルロース表面の化学的性質を評価する。最終的に全てのデータを統合し、ナノセルロースに特定の物性を与える細胞壁の特性を明らかにするとともに、新規な特性を備えたナノセルロースを調製する。

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