バイオサイエンススコープ
「植物 CO 2 資源化研究拠点ネットワーク （ NC-CARP ）」
プロジェクトへの招待
齊藤知恵子，福田裕穂
東京大学大学院理学系研究科
はじめに
二酸化炭素排出による地球温暖化や，枯渇しつつある化石 エネルギーなど，顕在化する地球環境問題を解決するために は，植物や微生物を利用した，循環型エネルギーや二次代謝 産物の生産，さらにはバイオプラスチックをはじめとした高 付加価値のバイオ素材開発などの，持続可能社会に向けての 技術の開発が不可欠である（1, 2）．植物は地上の二酸化炭素 を，太陽エネルギーを用いて糖に代え，これをデンプン，炭 化水素，セルロースなどとして蓄える．人間はこれまで植物 を，長いものでは1万年の年月をかけて作物として品種改良 し，食糧として利用してきた．現代は，さらに植物を，食糧 としてだけでなくバイオマスと考え，二酸化炭素固定能の向 上とともにバイオマス利用に適した性質の付与などの品種改 良を求めるようになった．一方で，バイオマス利用のために は，こうした植物自体の改良に加え，植物素材の前処理や糖 化といった処理プロセス，さらにはその産物（糖などの素 材）の発酵や合成を用いた製品化のために，革新的な技術開 発などが必要となる（3, 4）．特に，これらのプロセスを通して 貫く技術イノベーションが必要となるが，その基盤となる異 種分野の連携はわが国ではほとんど進んでいなかった．そこ で，産業界をも含めて，この異種分野の研究協調体制を構築 し，国内におけるバイオマス一貫型研究を目指して，本プロ ジェクト「植物CO2 資源化研究拠点ネットワーク」（Net- work of Centers of Carbon Dioxide Resource Studies in Plants ; NC-CARP）（5） を立ち上げることとした．本記事では，この 新しい試みであるNC-CARPを紹介したい．そして一人でも 多くの人がこのプロジェクトに興味をもってくれること，さ らには，この新しい領域へ積極的に参画してくれることを期 待したい．
立ち上げの経緯
平成23年6月，文部科学省から大学発グリーンイノベー ション創出事業，グリーン・ネットワーク・オブ・エクセレ ンス （GRENE） が公募された．GRENE事業では，植物科学
分野，環境情報分野，先進環境材料分野，北極気候変動分野 の4つが設定された．このプログラムは，前内閣の平成22年 6月18日の閣議決定「新成長戦略 〜『元気な日本』復活の シナリオ」で掲げられた「グリーン・イノベーションによる 環境・エネルギー大国戦略」に端を発したものであった．
CREST/さきがけの「二酸化炭素資源化を目指した植物の物 質生産力強化と生産物活用のための基盤技術の創出」事業も また，「グリーン・イノベーション」を端緒に，平成23年度 から動き始めている．いずれも地球温暖化防止のために地球 上の二酸化炭素の排出を削減するだけでなく，二酸化炭素を 資源として利用するための技術開発を目指そうとするもので ある．言うまでもなく，地上の二酸化炭素を太陽エネルギー を使って効率的に有機物に変換しうるのは植物である．した がっていずれの事業でも，この植物の改変と，さらにはその アウトプットである有機物の利用技術の創出を，出口を見据 えたうえで行おうとしている．しかし，2つの事業には決定 的な違いが存在する．CREST/さきがけが個人または数人規 模での研究であるのに対して，NC-CARPは多様な二酸化炭 素資源化研究を行うトップ拠点をネットワーク化し，オール ジャパンとして研究を推進する点である．さてNC-CARP は，公募に応募後，7月，9月の2回のヒアリングを経て，最 終的に採択された．そして，プログラムは平成23年11月末 から動き始めることになった．
研究プロジェクトの目的と概要
NC-CARPでは，国内植物科学研究の高い基礎研究能力を 有する研究機関，さらに応用微生物研究やバイオプロセス化 技術など日本が高いポテンシャルを持つ先端応用技術を有す る研究機関を統合するネットワークを形成し，CO2 資源化 を進めるための技術基盤を作ることを目指している．具体的 には，「スーパーバイオマス育種ネットワーク」による生産 性が高くかつ工業原料として利用しやすいバイオマス育種の ための研究，「バイオマス利活用ネットワーク」によるバル クおよびファイン化学品の高効率生産のための研究を進め，
異分野融合による新技術創出の新展開を目指す（図1，図 2）．さらにNC-CARPでは，提案する研究の実践だけでな
く，融合型かつ国際教育プログラムを進めることで，次世代 を担うCO2資源化研究者の養成を目指す．加えて，バイオマ ス栽培からバイオベース製品製造まで，トータルプロセスの 経済性，環境負荷，持続可能性をライフサイクルアセスメン ト （LCA） 的観点から検証し，研究開発や実用化の際にその 妥当性や優位性を評価する．これらのプログラムを通して，
わが国における二酸化炭素資源化イノベーションの基盤を作 ることを目指している．
研究組織
NC-CARPプログラムでは植物の改良から植物素材を利用 したリファイナリーまでの一貫型の研究を行う．そのため に，植物のもつ能力の改良を目指すグループである「スー パーバイオマス育種ネットワーク」と，改良された植物材料 を素材としてバイオマス利活用を行うグループ「バイオマス 利活用ネットワーク」の大きく2つの組織に分けている（図 1）．実際には，利活用側の要求を入れて植物の改変を行うと いった，2つのグループの間のフィードバックが重要なの で，素材評価も含め，両グループは相互に緊密に連携関係を 構築しながら研究を進めている（図2）．「スーパーバイオマ ス育種ネットワーク」には東京大学（代表拠点），名古屋大 学，東北大学，奈良先端大学，岡山大学，京都大学，基生研 の7大学／研究所（以下「拠点」とする）が，「バイオマス 利活用ネットワーク」には神戸大（副代表拠点），理化学研 究所，東京大学，産総研，筑波大学の5拠点が参加してお り，合計国内11（東京大学は育種と利活用の両方に属する）
の拠点が参加している．
世界に通用する研究は，新しい発想と同時に，強い研究基 盤が必要である．実際今回のNC-CARPはそのような日本の 強い研究基盤のうえに構築されている．「スーパーバイオマ ス育種ネットワーク」は文科省科学技術政策研究所作成サイ エンスマップ2006，2008で示されているとおり，日本の誇 る国際的評価の高い植物研究の基盤のうえに作られている．
一方で，「バイオマス利活用ネットワーク」の中核をなすの が日本のお家芸とも言える微生物発酵技術である．『化学と 生物』の読者ならおわかりのように，グルタミン酸ナトリウ ム，リジンなどのアミノ酸系，トレハロース，アスパルテー ム，エリスリトールなどの糖系，ヒアルロン酸やCoQ10な どの医薬品系等々，わが国の微生物発酵技術の高さのおかげ で日本が世界のトップシェアを占める製品は枚挙にいとまが ない．国際的に優位な位置にあるこの二つの分野がタッグを 組み，一体となって研究を進めるという構成となっている．
研究内容
研究組織は，「スーパーバイオマス育種ネットワーク」と
「バイオマス利活用ネットワーク」に分けられるが，実際に は常にこのグループ間が相互作用しあい，一貫型の研究が進 むための研究プログラムが多数組まれている（図2）．「スー パーバイオマス育種ネットワーク」では，「①草本性のバイ オマス植物」および「②早生広葉樹タイプの木本性バイオマ ス植物」を最終的なターゲットとして，そのバイオマス特性 の向上を目指している．このために，まずはシロイヌナズナ やイネをはじめとするモデル生物を用いて基盤技術を確立 し，これを草本植物としてソルガム，早生広葉樹としてポプ 図1■NC-CARPの研究体制
国内植物科学研究の高い基礎研究能力を有する研究機関7拠点で形成された，「スーパーバイオマス育種ネットワーク」（代表拠点：東京大 学）と，応用微生物研究やバイオプロセス化技術などの先端応用技術を有する研究機関5拠点で形成された，「バイオマス利活用ネット ワーク」（副代表拠点：神戸大学）から構成されている．
ラとユーカリへ適用することを目指している．具体的には，
光合成能増大，環境適応性の向上を目指した研究を行う一方 で，ソルガムおよび木質バイオマスの特性向上研究を行って いる．これらを合わせることで工業原料に適したスーパーバ イオマス植物の作成を目指している．
穀物からのバイオエタノール生産とアメリカの大干ばつの 影響で世界的に穀物価格が上昇したのは記憶に新しいところ だが，本プロジェクトが目指すのは，食糧と競合しない，非 可食のバイオマスをいかに有効活用するかという点である．
また，バイオマス植物を栽培する際には根本的に土地収奪の 問題が絡んでくる．本プロジェクトでは土壌の流出や荒廃に より農耕放棄された土地や，そもそも栽培に十分な雨量が得 られないなどの耕作不適地も活用できるようなバイオマス植 物の開発を目指している．
次に「バイオマス利活用ネットワーク」の研究内容につい て説明する．ここでは，非可食のバイオマスの主体であるリ グノセルロースを糖化する反応や，糖からさまざまな化学物 質に変換する反応といったバイオプロセスを，飛躍的に効率
化する手法や技術の確立を目指している．このために，マル チオミクス，代謝シミュレーションなどから得られる大量の 情報をもとに，代謝エンジニアリングした微生物あるいは細 胞工場を確立する，といった合成生物学的な戦略をとる．そ して，これらの細胞工場で生産される産物から，すべてバイ オマス由来の高品質の繊維やプラスチックを作り出すという 夢に向けて研究を行っている．一方で，こうしたリファイナ リー技術の向上のためには，リファイナリーに適したバイオ マス植物を作ることが求められる．このために，各ステップ で植物材料の評価を行い，その評価を植物改変とリファイナ リー技術の双方にフィードバックするシステムの構築も非常 に重要な課題となる（図2）．実際のところ評価に関しては，
現在は，どのような項目を評価の対象とするのかの検討に加 え，たとえば，さまざまな突然変異体の糖化効率や反応阻害 物質について，少量かつハイスループットで行う評価システ ムの開発を行っている．
バイオマスプロダクトの有用性について，近年素材として 注目の集まっているセルロースナノファイバーについて今後 図2■NC-CARPの研究内容のアウトライン
「スーパーバイオマス育種ネットワーク」は作出したバイオマス原材料を「バイオマス利活用ネットワーク」に提供し，「バイオマス利活用 ネットワーク」では各プロセスから出る生成物を評価し「スーパーバイオマス育種ネットワーク」に結果をフィードバックする．このこと で，工業原料に適したスーパーバイオマスの開発を効率化・最適化する．また，栽培から収穫，変換，製品製造まで，トータルプロセスに ついて，LCAにより環境性や経済性の評価を行い，妥当性や優位性を評価する．
の展開を考えてみよう．セルロースナノファイバーは，植物 細胞壁の骨格成分で，鋼鉄よりも高強度でしかも軽いとされ る．原材料として主に資源量の多い木材が使われることが多 いが，細胞壁をナノサイズで細かくほぐすことができれば，
原理的にはあらゆる植物資源から取り出すことができる．ナ ノレベルの繊維なので，成形すれば可視光に対して透明な素 材となる．親水性なので樹脂やゴムと複合化するのが困難な 点が技術開発上のネックとなっているが，疎水化技術が確立 して補強剤として用いることができれば軽量かつ再生可能資 源由来の素材として，エンジニアリングプラスチックや炭素 素材複合材料の原料に利用できるとして期待されている．こ のような目的に向かって植物の改変とリファイナリーの両方 からの技術革新が求められているのである．
LCA : Life Cycle Assessment／ライフ サイクルアセスメント
次に本プロジェクトにおけるLCA的観点の重要性につい て述べる．LCAとは，個別の製品あるいは産物について，
生産されて役目を終えるまでのすべての過程，すなわち，製 造，輸送，販売，使用，廃棄，再利用までの各段階における 環境への負荷を，ある評価範囲を設定したうえで計算・評価 する手法である．製品のライフサイクルにおいて，エネル ギーや材料がどれだけ投入されるか，また，何がどれだけ排 出されるかを，LCAデータベース由来の数値を用いて算出 する．LCA的観点を導入することにより，それぞれの素過 程で，思いがけずCO2 や温室効果ガス （GHG） を排出して いることに気づかされる場合がある（6）．このことにより，ど のプロセスに重みづけをするべきか，あるいはなるべく最小 にとどめておくべきか，適切な意志決定を導くことができ る．本プロジェクトではスーパーバイオマス植物の生育から 加工，素材化，製品化にいたるすべての段階でLCAを算出 することで，トータルプロセスの合理化に活かしたいと考え ている．その一方で，従来コストや経済性という観点から算 出するのが困難であった要素，社会的な影響を考慮した LCA（SLCAと呼ばれる）の構築にも取り組む予定にしてい る．
教育
この複合分野を次世代においても確固とした実りある新分 野として確立していくためには，若手・中堅の研究者層の育 成と大学院生の教育が極めて重要であると考えている．特 に，CO2資源化分野の最先端で国際的に活躍するためには，
個別のディシプリンだけでなく，光合成能を向上させるため の改変原理から，植物におけるバイオマス高生産・構造制御 を可能にする遺伝子操作技術，さらには，得られたバイオマ スから多様なバイオベース製品生産に結びつける技術に至る までの総合的な理解が求められる．そこで，NC-CARPで
は，理・農・工各分野の世界的なバイオマス研究者が共同し て，「スーパーバイオマス育種ネットワーク」，「バイオマス 利活用ネットワーク」の両グループからの，ユニークな大学 院生教育プログラムを提供している．プログラムは，講義，
実習，海外圃場実習，企業インターンシップの4つのカテゴ リーからなり，所定の単位を修得することでNC-CARPプロ グラム修了認定書を取得できる．講義および実習は年に2 回，サマースクールとウィンタースクールで行われるが，講 義に関してはオンデマンドでネット上でも本プログラム受講 者限定で視聴できる．これらは，NC-CARP拠点の大学院生 であれば無料で参加できる．海外圃場実習あるいはインター ンシップも修了には必須の要件となっている．平成24年度 の海外圃場実習は，ケニアのジョモケニアッタ農科大学で 10日ほど行われた（図3）．日本と違う土地での実際の植物 育成の現場に立ち会うことができて，たいへん有意義であっ たと参加者が語っていた．インターンシップは夏から秋の初 めに1カ月程度の期間を予定している．
ネットワーク形成
本プロジェクトの立ち上げ後，異分野の拠点間の共同研究 図3■海外圃場実習の様子
平成25年2月，ジョモケニアッタ農工大学の圃場で，スイートソ ルガム栽培に関する実習を行った．上：圃場風景，中：実習中の スナップ，下：集合写真（岡山大学 坂本 亘教授提供）．詳細は JPbiomass-netニュースレター3月号の坂本 亘教授の寄稿を参照
（http://nc-carp.org/wp-content/uploads/2013/03/JPbio̲NL06.
pdf）．
が10件以上始まった．また，年数回の交流会を通して，拠 点に属する研究者間でお互いの研究の理解は一段と進んでい る．しかしながら，イノベーションの結果生み出されたもの が最終的に製品となるためには，企業の参画が不可欠であ る．そのため，産学連携のコンソーシアムを平成25年6月に 立ち上げた．
一方で，この新たな領域のネットワークは本プロジェクト 内にとどめず，日本全国のバイオマス関係者に広げたいと考 えている．このために，今年の11月には二酸化炭素資源化 CREST／さきがけプロジェクトと共同してバイオマス関係 の国際シンポジウムを企画している．また，NC-CARP公開 キ ッ ク オ フ シ ン ポ ジ ウ ム の 参 加 者，二 酸 化 炭 素 資 源 化 CREST／さきがけプロジェクト（磯貝 彰領域代表）など，
関連プログラム参加者に参加を募り，日本植物バイオマス ネットワークを立ち上げた．このネットワークでは，月1 回，バイオマス関連の新規情報をJPbiomass-netと名づけた ニュースレターに載せて発信している（7）．このネットワーク をさらに広げていきたいと考えているので，このネットワー ク に 興 味 を も つ，あ る い は 参 加 を 希 望 す る 方 は，齊 藤
（[email protected]） まで連絡を願いたい．
こうした取り組みを一時期のトレンドとして終わらせない ようにするには，若手・中堅研究者を中心に将来を見据えた 取り組みが必要である．このために，NC-CARPだけでな く，理化学研究所バイオマス工学プログラム （BMEP） の若 手研究者や，さきがけ，CREST, ALCA などの若い研究代 表者にも声をかけて，「バイオマスイノベーション若手の会」
を立ち上げ，第1回ワークショップ（平成25年11月6日）も 準備中である．
おわりに
本プロジェクトは，これまでにない，植物，工学，農学連 携のプログラムである．研究実施期間は5年，実質的には4 年4カ月と短い．この期間だけで，植物の改変から素材改 良，さらにはバイオマス利用技術開発までの一貫型技術開発 を完成させることは困難である．今回のプロジェクトでは，
そのさきがけとして異分野間の垣根を取り除き，協力して研 究および人材育成を行うことで，将来に向けた日本のバイオ マス研究の体力作りを行うことを目指している．その基盤は 現在の11拠点を中心に作り上げることになるが，実際の有 効なアウトプットのためには，もちろん企業も含めた極めて 広いネットワークとその中での共同研究が必要である．
バイオマスに代表される循環型のエネルギー・素材の開 発・利用は，21世紀型持続可能社会の根幹をなす．それだ けに，急激な少子高齢化に伴う人口減少，産業の空洞化など 日本が直面しつつある困難な状況に対応し，持続可能な社会 を実現するためには，日本独自の持続可能なエネルギー・素 材を開発し，かつ新たな産業を興すことが欠かせない．その ような観点からも，本プログラムの成功が重要である．読者
の皆様におかれては，大学院生として，若手研究者として，
さらには製品化に向けての企業担当者として，さまざまな立 場での参加・協力をお願いしたい．
謝辞：海外圃場実習の写真を提供してくださった，岡山大学坂本 亘教 授に深く感謝します．また，本稿を書くにあたり有益なコメントとアド バイスをくださった，NC-CARPプロジェクトコーディネーターの大谷 繁さん，渕上智子さん，遠藤暁詩特任助教，楢本悟史特任助教，事務の 高間淳子さん，岡田美知子さんに感謝します．
文献
1） S. Chu & A. Majumdar : , 488, 294 （2012）.
2） A. Carroll & C. Somerville : , 60, 165 （2009）.
3） A. J. Ragauskas : , 311, 5760 （2006）.
4） J. C. Liao & J. Messing : ., 23, 287
（2012）.
5） http://nc-carp.org/
6） I. Gelfand : , 493, 514 （2013）.
7） http://nc-carp.org/newsletter/
プロフィル
齊藤知恵子（Chieko SAITO）
＜略歴＞1999年東京大学大学院理学系理 学系研究科生物科学専攻博士課程修了／
理化学研究所基礎科学特別研究員，日本 学術振興会特別研究員 （PD）, フライブル グ大学訪問研究員，ミシガン州立大学訪 問研究員，理化学研究所中野生体膜研究 室 研 究 員，同 専 任 研 究 員 を 経 て2012年 7月より現職＜研究テーマと抱負＞植物 科学の基礎分野出身なので，いかにして 基礎研究を応用につなげるか，これまで とは別のマインドセットをもちつつ新た な気持ちで臨んでいる．異分野融合プロ ジェクトゆえ，一から勉強しなおし，と いうことも多々あるものの，若い頃の気 持ちを思い出しながら取り組んでいきた い＜趣味＞子どもと遊ぶこと，料理，実 家のりんご畑での農作業
福田 裕穂（Hiroo FUKUDA）
＜略歴＞1982年東京大学大学大学院理学 系研究科植物学専門課程修了／大阪大学 理学部助手，東北大学理学部助教授・教 授を経て，1995年から東京大学理学部・
理 学 系 研 究 科 教 授．こ の 間，1987年 に マックスプランク育種学研究所に留学，
ま た，2000 〜 2005年 に 理 化 学 研 究 所 植 物科学研究センターのグループディレク ターを兼務＜研究テーマと抱負＞植物の メリステム組織の成り立ちとその維持に 興味をもっている＜趣味＞釣り，ソフト ボール，カラオケ，読書，美術鑑賞
