産業微生物学

工業微生物学は、微生物科学を応用して工業製品を大量生産するバイオテクノロジーの一分野であり、多くの場合、微生物細胞工場を使用します。製品の収量を最大化するために微生物を操作する方法は複数あります。突然変異を生物に導入するには、変異原を導入する方法があります。生産量を増やすもう1つの方法は、遺伝子増幅です。これは、プラスミドとベクターを使用して行われます。プラスミドおよび/またはベクターは、特定の遺伝子の複数のコピーを組み込むために使用され、より多くの酵素を生産できるようになり、最終的に製品の収量が増加します。^{[ 1 ]}特定の製品を生成するために生物を操作することは、抗生物質、ビタミン、酵素、アミノ酸、溶剤、アルコール、日用品の生産など、現実世界で多くの用途があります。微生物は、さまざまな方法で使用されており、産業において大きな役割を果たしています。医療では、微生物は感染症を治療するための抗生物質の製造に使用できます。微生物は食品産業でも使用できます。微生物は、人々が消費する大量生産品の製造において非常に有用です。化学工業においても、アミノ酸や有機溶剤の合成に微生物が利用されています。また、微生物は農業分野においても、危険な化学物質や接種剤の代わりに、植物の増殖を促進する生物農薬として利用することができます。

産業微生物学の医療応用例としては、医療目的で特定の微生物を用いて合成される新薬の製造が挙げられます。抗生物質の製造は、多くの細菌感染症の治療に不可欠です。天然由来の抗生物質やその前駆体の中には、発酵と呼ばれるプロセスを経て生産されるものがあります。微生物は液体培地中で増殖し、生産量を最大化するために菌数を制御します。この環境では、栄養素、pH、温度、酸素濃度も制御され、細胞数を最大化し、目的の抗生物質が生産される前に細胞が死滅しないようにします。抗生物質が生産されたら、収益を得るために抽出する必要があります。

ビタミンは発酵または生物変換によって大量に生産される。^{[ 2 ]}例えば、ビタミンB2（リボフラビン）は両方の方法で生産される。リボフラビンの生産には主に生物変換が用いられ、この反応の炭素源となる出発物質はグルコースである。リボフラビンの生産量を増やすために遺伝子操作された微生物株がいくつか存在する。この反応に最も一般的に使用される微生物はAshbya gossypiiである。発酵プロセスもリボフラビンを生産する一般的な方法である。発酵によるリボフラビンの生産に最も一般的に使用される微生物はEremothecium ashbyiiである。リボフラビンが生産されたら、培養液から抽出する必要がある。これは、細胞を一定時間加熱することによって行われ、その後、細胞を溶液から濾過することができる。リボフラビンはその後精製され、最終製品として放出される。^{[ 3 ]}

微生物による生物変換は、ステロイド医薬品の製造に利用できます。ステロイドは経口または注射で摂取できます。ステロイドは関節炎のコントロールに大きな役割を果たします。コルチゾンは、関節炎だけでなくいくつかの皮膚疾患にも効果のある抗炎症薬です。使用されるもう1つのステロイドはテストステロンで、これはコリネバクテリウム属菌を使用してデヒドロエピアンドロステロンから製造されます^{[ 4 ]}。

様々な肥料や農薬の必要性から、農産物の需要は絶えず増加しています。化学肥料や農薬の過剰使用には長期的な影響があります。化学肥料や農薬の過剰使用により、土壌は不毛になり、作物の栽培に適さなくなります。そこで、生物肥料、生物農薬、有機農業が救世主として注目されています。

生物農薬は、生物または天然物質から得られる農薬です。生化学農薬は、無毒な方法で害虫の個体数を制御できる天然物質から生産することもできます。^{[ 6 ]}生化学農薬の例としては、ニンニクや唐辛子をベースにした殺虫剤があり、これらは昆虫を目的の場所から遠ざけることで機能します。微生物農薬（通常はウイルス、細菌、または真菌）は、より特定の方法で害虫の個体数を制御するために使用されます。^{[ 6 ]}微生物バイオ農薬の生産に最も一般的に使用される微生物は、Bt としても知られるバチルス・チューリンゲンシスです。この胞子形成細菌はデルタエンドトキシンを生成し、エンドトキシンが消化器系の内壁を破壊するため、昆虫や害虫が作物や植物を食べるのをやめさせます。

微生物を使用してアミノ酸や有機溶媒を合成することもできます。L-メチオニン、L-リジン、L-トリプトファンなどの必須アミノ酸と非必須アミノ酸であるL-グルタミン酸の合成は、現在、主に飼料、食品、医薬品産業で使用されています。これらのアミノ酸の生産は、コリネバクテリウム・グルタミカムと発酵によるものです。C.glutamicum は、L-リジンとL-グルタミン酸を大量に生産できるように遺伝子操作されました。^{[ 7 ]} L-グルタミン酸は、食品香料であるグルタミン酸ナトリウム（MSG）の製造に使用されるため、生産に対する需要が高くなっています。2012年のL-グルタミン酸の総生産量は220万トンで、 C.glutamicumを接種した液中発酵技術を使用して生産されています。 L-リジンはもともと大腸菌によってジアミノピメリン酸（DAP）から生産されていましたが、その後、L-グルタミン酸の生産にコリネバクテリウム・グルタミカムが発見されました。 ^{[ 7 ]}この生物や他の独立栄養生物は後に改変され、リジン、アスパラギン酸、メチオニン、イソロイシン、トレオニンなどの他のアミノ酸を生産するようになりました。^{[ 7 ]} L-リジンは豚や鶏の飼料として、また栄養欠乏症の治療、患者のエネルギー増加、そして時にはウイルス感染症の治療にも使用されます。L-トリプトファンも発酵によって、また コリネバクテリウムや大腸菌によって生産されますが、生産量は他のアミノ酸ほど多くはありませんが、神経伝達物質の生産に変換して使用できるため、医薬品目的で生産されています。^{[ 7 ]}

アセトン、ブタノール、イソプロパノールなどの有機溶媒の発酵による生産は、細菌を使用して生産された最初のものの1つです。これは、必要なキラリティを生のシステムを使用することで容易に達成できるためです。^{[ 8 ]}溶媒発酵では、一連のクロストリジウム属細菌種が使用されます。溶媒発酵は当初、今日使用されているほど生産的ではありませんでした。製品を生成するために必要な細菌の量は多く、実際の製品の収量は低かったのです。その後、科学者がこれらの菌株を遺伝的に改変してこれらの溶媒の収率を高めることができる技術の進歩が発見されました。これらのクロストリジウム属菌株は、溶媒生産に必要な酵素の余分な遺伝子コピーを持つように形質転換され、また、これらの細菌は環境が有毒になる前に生存できる製品の範囲を持っているため、生成される溶媒の高濃度に対する耐性も高くなりました。^{[ 9 ]}他の基質を使用できる菌株を増やすことも、これらの細菌の生産性を高めるもう1つの方法でした。^{[ 9 ]}