バクテリアセルロース

バクテリアセルロースは、化学式（C
₆H
₁₀お
₅）
_んセルロースは、特定の種類の細菌によって生成されます。セルロースはほとんどの植物の基本的な構造材料ですが、主にKomagataeibacter、Acetobacter、Sarcina ventriculi、Agrobacterium属の細菌によっても生成されます。細菌性セルロース、つまり微生物セルロースは、植物セルロースとは異なる特性を持ち、高純度、高強度、成形性、高い保水性が特徴です。^[1]自然環境では、細菌の大部分がセルロースなどの細胞外多糖類を合成し、細胞の周囲に保護膜を形成します。細菌性セルロースは自然界で生成されますが、現在、大規模なプロセスとして実験室での培養からセルロースの成長を促進するための多くの方法が研究されています。合成方法を制御することで、結果として得られる微生物セルロースを特定の望ましい特性を持つように調整できます。たとえば、細菌Komagataeibacter xylinus は、そのセルロースのユニークな機械的特性と、バイオテクノロジー、微生物学、材料科学への応用により注目を集めています。

歴史的に、バクテリアセルロースは、フィリピンの食品であるゼリー状のデザート、ナタデピニャとナタデココの製造に限定されていました。[ 2 ] [ 3 ^{] [ 4]}バクテリアセルロースの合成と特性評価の能力の進歩により、この材料は繊維、化粧品、食品、医療用途など、さまざまな商業用途に使用されています。微生物セルロースの用途では多くの特許が発行されており、いくつかの活発な研究分野では、微生物セルロースをより適切に特性評価し、新しい分野で利用しようとしています。^[1]

セルロースは、1838年にアンセルム・パヤンによって初めて材料として発見されました。パヤンは、セルロースを他の植物質から分離し、化学的に特徴づけることができました。セルロースの最初の最も一般的な工業用途の1つは、木材パルプ由来のセルロースが紙の製造に使用されたことです。セルロースは、反射率、コントラストが高く、コストが低く、柔軟性があるため、印刷形式で情報を表示するのに最適です。細菌、具体的にはアセトバクター・キシリナム由来のセルロースの発見は、1886年にAJ・ブラウンによる細胞外ゼラチン状マットの合成によって認められました。 ^[5]しかし、細菌セルロースに関するより集中的な研究が行われるようになったのは20世紀に入ってからでした。微生物セルロースの最初の発見から数十年後、CA・ブラウンは、ルイジアナ州のサトウキビジュースの発酵によって得られたセルロース材料を研究し、AJ・ブラウンによる研究結果を裏付けました。^[6]他の研究者は、アセトバクター・パストゥリアナム、アセトバクター・ランセンス、サルシナ・ベントリキュリ、バクテリア・キシリノイデスなど、他の様々な生物によるセルロースの形成を報告した。1931年、タールとヒバートは、培地上でA.キシリナムを増殖させる一連の実験を実施し、細菌セルロースの形成に関する最初の詳細な研究を発表した。 ^[7]

1900年代半ば、ヘストリンらは、細菌セルロースの合成にはグルコースと酸素が必要であることを証明しました。その後すぐに、コルビンは、 A. xylinumの無細胞抽出物、グルコース、ATPを含むサンプルでセルロースの合成を検出しました。^[8] 1949年には、細菌セルロースのミクロフィブリル構造がミューレザラーによって特徴付けられました。^[9]細菌セルロースのさらなる研究により、この材料の新たな用途と応用が生まれました。

セルロースを生成する細菌には、アセトバクター、アゾトバクター、リゾビウム、シュードモナス、サルモネラ、アルカリゲネスなどのグラム陰性細菌種と、サルシナ・ベントリキュリなどのグラム陽性細菌種が含まれる。^[10]セルロースの最も効率的な生産者は、 A. xylinum、A. hansenii、およびA. pasteurianusである。これらのうち、A. xylinumは、広範囲の炭素源および窒素源から比較的高レベルのポリマーを生成する能力があるため、セルロースの基礎研究および応用研究のモデル微生物である。^[11]

細菌性セルロースの合成は、2つの主なメカニズムを伴う多段階のプロセスである。1つはウリジンジホスホグルコース（UDPGIc）の合成、続いてセルロース合成酵素によるグルコースの長い非分岐鎖（β-1→4グルカン鎖）への重合である。セルロース合成の詳細は広範囲に文書化されている。^{[12] [13]}前者のメカニズムはよく知られているが、後者はまだ研究が必要である。UDPGIcの生成は、利用可能な炭素源に応じて、炭素化合物（ヘキソース、グリセロール、ジヒドロキシアセトン、ピルビン酸、ジカルボン酸など）がクレブス回路、糖新生、またはペントースリン酸回路に入ることから始まります。次に、触媒作用を伴ったリン酸化を経て、中間体の異性化、およびUDPGIcピロホスホリラーゼとして知られるプロセスにより、化合物がセルロース生成の前駆体であるUDPGIcに変換されます。グルコースのβ-1→4グルカン鎖への重合は、脂質中間体を介する^[14]か介さないかの仮説が立てられてきたが^{[12]、構造酵素学的研究と}in vitro実験では、ヌクレオチド糖から成長中の多糖類へのグルコシル部分の直接酵素転移によって重合が起こる可能性があることが示されている。^[15] A. xylinumは通常、炭素化合物を約50%の効率でセルロースに変換する。^[14]

セルロース生産は、増殖培地、環境条件、副産物の形成など、いくつかの要因に大きく依存します。発酵培地には、細菌の増殖に必要な炭素、窒素、その他のマクロおよびミクロ栄養素が含まれています。細菌は、豊富な炭素源と最小限の窒素源が供給されると最も効率的です。^[16] グルコースとスクロースはセルロース生産に最も一般的に使用される炭素源ですが、フルクトース、マルトース、キシロース、デンプン、グリセロールも試されてきました。^{[17]セルロース生産を増やすために}エタノールが使用される場合もあります。^[18]グルコースを使用する場合の問題は、副産物としてグルコン酸が生成され、培養物の pH が低下してセルロースの生産が減少することです。研究によると、リグニンスルホン酸の存在下ではグルコン酸の生産が減少する可能性があります。^[19]有機酸、特に酢酸の添加も、セルロースの収率を高めるのに役立ちました。^[20]ジャーファーメンター^[21]での糖蜜培地の使用や、サトウキビ糖蜜の添加成分^[22]を特定の細菌株に使用した研究では、セルロース生産の増加を示す結果が得られました。

窒素を余分に添加するとセルロース生産量は減少しますが、アミノ酸^[23]やメチオニンなどの前駆体分子を添加すると収量が向上します。ピリドキシン、ニコチン酸、p-アミノ安息香酸、ビオチンはセルロース生産に重要なビタミンですが、パントテン酸とリボフラビンは反対の効果があります。^[24]プロセスがより複雑なリアクターでは、バクテリアセルロースの凝集や凝固を防ぐために、寒天^[25]、アセタン、アルギン酸ナトリウム^[26]などの水溶性多糖類が添加されます。

セルロース生産に影響を与えるその他の主な環境要因は、pH、温度、溶存酸素です。実験研究によると、最大生産のための最適温度は28〜30℃でした。^[27]ほとんどの種では、最適pHは4.0〜6.0でした。^[17]静置培養ではグルコン酸、酢酸、乳酸の蓄積によりpHが最適範囲よりもはるかに低くなるため、pHの制御は特に重要です。静置培養では基質を拡散輸送する必要があるため、溶存酸素含有量は攪拌機の速度で変化させることができます。^[28]

静的培養と撹拌培養は、バクテリアセルロースを生産する従来の方法です。静的培養は培養期間が長く、人手も必要であり、撹拌培養では成長が速いため、反応と同時にセルロース陰性変異体も生成されるため、静的培養と撹拌培養のどちらも大規模生産には適していません。^[29]そのため、リアクターは培養時間を短縮し、バクテリアセルロース生産株がセルロース陰性変異体に変換されるのを防ぐように設計されています。一般的に使用されるリアクターは、回転ディスクリアクター、^[30]回転式バイオフィルム接触器 (RBC)、^[29]スピンフィルターを備えたバイオリアクター、[ 31 ^]およびシリコン膜を備えたリアクターです。^[32]

地球上で最も一般的な有機物質であるセルロースは、植物セルロースとバクテリアセルロースに分類でき、どちらも天然に存在します。ほとんどの植物の細胞壁を構成する植物セルロースは、セルロースフィブリルが主要な構造要素である強靭なメッシュ状の塊です。バクテリアセルロースは植物セルロースと同じ分子式を持っていますが、高分子の特性と特徴が大きく異なります。^{[8]一般に、微生物セルロースは化学的に純粋で、}ヘミセルロースやリグニンを含まず、保水性と親水性が高く、重合量が多いため引張強度が高く、超微細ネットワーク構造になっています。さらに、バクテリアセルロースはさまざまな基質上で生成でき、形成中の高い成形性により、事実上あらゆる形状に成長させることができます。^{[33]さらに、バクテリアセルロースは植物セルロースに比べて結晶構造が強く、特徴的なリボン状の}ミクロフィブリルを形成します。^[1]微生物セルロースの特徴であるこれらの細いミクロフィブリルは植物セルロースのミクロフィブリルよりもかなり小さく、細菌セルロースはより多孔質になっています。^[9]

セルロースは炭素、酸素、水素から構成されており、多糖類に分類され、ポリマー特性を示す炭水化物であることを示しています。セルロースは直鎖ポリマーで構成されており、その基本単位であるグルコースはベータ結合によって保持されています。細胞壁におけるセルロースの構造的役割は、グラスファイバーのガラスストランドや鉄筋コンクリートの支持棒に例えられています。^[要出典]セルロースフィブリルは不溶性および非弾性が高く、その分子構造により、引張強度は鋼鉄に匹敵します。^[要出典]その結果、セルロースは、それが存在する組織に化学的弾力性と機械的支持および柔軟性のユニークな組み合わせを与えます。^[34]アセトバクター属によって生成されるバクテリアセルロースは、高い機械的強度、高い吸水性、高い結晶性、超微細で高純度の繊維ネットワーク構造など、ユニークな特性を示します。^[35]バクテリアセルロースの最も重要な特徴の 1 つは、その化学的純度です。これに加えて、バクテリアセルロースは化学物質や高温に対して安定しています。^[36]バクテリアセルロースは、細胞を異物や重金属イオンから保護すると同時に、拡散によって栄養素を容易に供給できる「ケージ」のような構造をしていると考えられています。^{[2] [37]}ルイ・パスツールはバクテリアセルロースを「一種の湿った皮膚で、膨らんでゼラチン状で滑りやすい」と表現しました。ゲルの固形分は 1 パーセント未満ですが、リグニンやその他の異物を含まないほぼ純粋なセルロースです。^{[2]バクテリアセルロースは高度に膨張したゲルの形で得られますが、その質感は非常に独特で、一般的なゲルとは異なります。セルロースは、湿った}ペリクル内の細孔構造とトンネルの存在により、高度に膨張した繊維ネットワークを持っています。植物性セルロースの保水率は60%であるのに対し、バクテリアセルロースの保水率は1000%である。^{[33]セルロースペリクルの形成は}上澄み液膜 の上面で起こる。生産性を高めるには表面積が大きいことが重要である。セルロースの形成は空気/セルロースペリクル界面で起こり、培地/セルロース界面では起こらない。したがって、酸素はセルロース生産にとって重要な要素である。^[1]誘導期と急速な成長期を経て、厚さは着実に増加します。原繊維は必ずしも直線的ではなく、長さに沿っていくつかの「3方向の分岐点」を含んでいます。このタイプの分岐は、この物質のユニークな特性に関連していると考えられており、二分裂によって生成された分岐点から発生します。^[38]

バクテリアセルロースから作られたシート状の材料は、驚くべき機械的特性を持っています。ブラウンによると、バクテリアセルロースのペリクルは「特に成長面を横切って引き裂こうとすると非常に強固」でした。^{[2]バクテリアセルロースの}ヤング率はシート面全体で15GPaにも達すると報告されていますが、ポリマーフィルムやシートが過去に達成した最高値はせいぜい10GPa未満です。シートの高いヤング率は、生物起源の原繊維が保存され、水素結合によってしっかりと結合しているユニークな超分子構造によるものとされています。このヤング率は温度や使用される栽培プロセスによって変化しません。この材料の非常に高いヤング率は、その超分子構造によるものであるに違いありません。^{[37] [38]}

この特性は、隣接して整列したグルカン鎖が鎖間および鎖内の水素結合に関与していることから生じます。^[34]細菌セルロースのサブフィブリルはミクロフィブリルに結晶化し、それが集まって束になり、「リボン」を形成します。これらの繊維は、木材をパルプ化して生成されるセルロース繊維よりも2桁細いです。^[8]現在、ペリクルはフィブリル（幅< 130 nm）のランダムな集合体で構成され、フィブリルはより微細なミクロフィブリル（直径2～4 nm）の束で構成されていることがわかっています。また、平面全体の収縮が制限されている場合、ペリクルは乾燥するとフィルムまたはシートになることもわかっています。 ^[38] 微生物セルロースの極細リボンは、広範な水素結合によって安定化された高密度の網状構造を形成します。細菌セルロースは、結晶化度指数（60%以上）が高いことでも植物のセルロースと区別されます。セルロースにはI型とII型の2つの一般的な結晶形態があり、X線、核磁気共鳴（NMR）、ラマン分光法、赤外線分析によって区別できる。^[8] 細菌セルロースは結晶学的にはセルロースI型に属し、植物由来の天然セルロースと共通しており、2つのセルロース単位が単位格子内で平行に配置されている。^{[2] [40]} セルロースIという用語はこの平行配置に使用され、反平行ポリグルカン鎖を持つ結晶性フィブリルは熱力学的に安定したセルロースIIを形成する。^[34]シート内の分子配置はX線回折によって確認され、分子鎖軸が厚さに対してランダムに垂直に配置され、（1 1 0）面が表面に対して平行に配向している。^[38]

セルロースは明確な結晶構造を形成しますが、自然界のセルロース繊維は純粋な結晶ではありません。結晶領域と非晶質領域に加えて、セルロース繊維には、ミクロフィブリルのねじれやねじれ、表面の微細孔、大きな穴、毛細管などの空隙など、さまざまな種類の不規則性が含まれています。したがって、セルロース繊維の総表面積は、同じ寸法の理想的に滑らかな繊維の表面積よりもはるかに大きくなります。繊維内の構造的不均一性の正味の効果は、繊維が水性媒体に浸漬されると少なくとも部分的に水和され、いくつかの微細孔と毛細管は浸透を可能にするのに十分な広さがあることです。^[37]

破断端を走査型電子顕微鏡で観察すると、非常に薄い層の積み重ねが明らかになった。層状のこれらの原繊維はパルプ紙と同様に原繊維間水素結合によって結合されていると示唆されているが、原繊維が細いため接触面積が大きくなり、原繊維間水素結合の密度ははるかに高くなるはずである。^[38]

バクテリアセルロースは、現在および将来の幅広い用途に使用されています。その多くのユニークな特性により、食品産業、医療分野、商業および工業製品、およびその他の技術分野で使用されています。バクテリアセルロースは多用途の構造材料であり、さまざまな用途に合わせてさまざまな方法で成形できます。この材料を使用するプロセスには、多数の特許が発行されています。^[41]バクテリアセルロースペリクルは、人間の火傷やその他の皮膚損傷の場合の一時的な皮膚代替品として提案されました。^[42]

バクテリアセルロースの最も古い使用法は、フィリピンの伝統的な甘いキャンディデザートであるナタデピニャの原料としての使用である。デザートをより魅力的にするために、いくつかの天然色素（オキシカロテノイド、アントシアニン、および関連する抗酸化物質とフリーラジカルスカベンジャー）がバクテリアセルロースキューブに組み込まれた。^{[43]バクテリアセルロースは、食品の}粘度を維持するための増粘剤や安定剤としても使用されている。その質感と繊維含有量のため、多くの食品に食物繊維として添加されている。具体的な例としては、増粘剤、テクスチャライザー、および/またはカロリー低減剤として作用する食品成分として使用される増量剤であるセルロン®がある。 ^[44]微生物セルロースは、1992年以来、日本でもダイエット飲料、具体的には発酵茶飲料であるコンブチャの添加物として使用されている。 ^[9]

バクテリアセルロースは商業産業でも幅広く利用されている。製紙業では、超強力紙として、またコーティング、結合、増粘、懸濁特性を持つ網目状の微細繊維ネットワークとして利用されている。^{[35]バクテリアセルロースは}音速が高く、動的損失が低いため、ソニー株式会社が販売している高忠実度スピーカーやヘッドフォンの音響膜やフィルター膜として使用されている。^{[2]バクテリアセルロースは}化粧品産業の添加物としても使用されている。さらに、繊維産業ではセルロースベースの衣料品の製造の可能性について試験が行われている。^[35]

より現代的な用途では、微生物セルロースは医療分野で重要になってきています。微生物セルロースは、特に火傷の場合に創傷被覆材としてテストされ、効果的に使用されています。研究によると、微生物セルロース被覆材で治療された火傷は、従来の治療法よりも早く治癒し、瘢痕が残りにくいことが示されています。微生物セルロースの局所適用は、セルロースの保水性と水蒸気透過性により効果的です。高い保水性により、創傷部位に湿潤した雰囲気が生まれ、これは治癒に重要です。また、ウィッキング能力により、創傷からの浸出液をその部位から除去できます。また、微生物セルロースは皮膚の表面に非常によくフィットし、顔面などの通常は創傷被覆が難しい場所でも適合した被覆を提供します。この技術は非常に成功したため、Biofill ® などの市販の微生物セルロース製品が開発されました。^[1]微生物セルロースの市販治療製品は他にも、Xylos Corporation が製造する XCell があり、主に静脈性潰瘍による創傷の治療に使用されます。^{[45]従来の}ガーゼ包帯に微生物セルロースバイオポリマーを塗布してガーゼの特性を高める研究も行われている。乾燥時間と保水性が向上するだけでなく、微生物セルロースでコーティングされたガーゼは液体の薬を吸収し、傷口で薬を作用させることができる。^[46]

微生物セルロースは、骨移植やその他の組織工学および再生などの内部治療にも使用されています。医療用途における微生物セルロースの主な能力は、その有用な特性をすべて保持しながら、さまざまな形状に簡単に成形できることです。微生物セルロースを長い中空のチューブに成形することにより、心臓血管系、消化管、尿路、気管など、さまざまな領域の置換構造として使用できます。微生物セルロースの最近の用途は、合成血管およびステントです。セルロースは、脳の外膜である硬膜などの内部置換構造に使用できるメッシュ膜に成形することもできます。置換に加えて、これらの構造は、既存の内部生物学的材料と相互作用する移植片としても使用されています。微生物セルロースは、誘導組織再生にも使用されています。^[45]バイオプロセス®とジェンギフレックス®は、現在では外科手術や歯科インプラントに広く応用されている微生物セルロースの一般的な商標製品の一部です。一例としては、治療した歯根表面から口腔上皮細胞と歯肉結合組織を分離して歯周組織を回復させるというものがあります。^[1]

微生物セルロースに関する研究が活発に行われている分野は、電子ペーパーの分野です。現在、植物セルロースは従来の紙の大半を生産するために使用されていますが、純度が低いため、リグニンなどの他の物質と混合する必要があります。しかし、微生物セルロースは純度が高く、ミクロフィブリル構造であるため、電子ペーパーの基板として優れた候補となる可能性があります。微生物セルロースは、湿式合成プロセスによって、通常の紙とほぼ同じ厚さの約 100 マイクロメートルのシートに加工できます。微生物セルロースは、ミクロフィブリル構造を持つ頑丈な基板を生成し、これにより紙にドーパントを注入できます。微生物セルロース紙に溶液を塗布することで、導電性ドーパントとエレクトロクロミック 染料をミクロフィブリル構造に配置することができます。双安定染料は、適切な電圧を印加すると透明から暗色に変化します。これをピクセル構造に配置すると、画像を形成できます。この技術はまだ研究段階にあり、商業生産レベルにはまだ拡大されていません。さらに、電子ブックタブレット、電子新聞、ダイナミック壁紙、書き換え可能な地図、学習ツールなどへの応用が期待される電子デバイスの基板としてバクテリアセルロースを応用する研究も行われている。^[47]電子産業におけるバクテリアセルロースの利用例としては、有機発光ダイオード（OLED）の製造が考えられる。^[35]

非効率的な生産プロセスのため、バクテリアセルロースの現在の価格は、商業的に魅力的で大規模に実行可能になるには高すぎるままである。^[35]従来の生産方法では、商業的な量の微生物セルロースを生産することはできないため、多くの微生物セルロース製品を市場に出すためには、リアクターベースの生産のさらなる進歩を達成する必要がある。^[29]

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