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バイオプロセスを用いたレアメタル資源の確保

法政大学 生命科学部 生命機能学科

教授 山本兼由

平成30年 3月 5日

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サーキュラー・エコノミー大量生産・大量消費の社会・「作る・売る・使う・廃棄」の直線型流通

低環境負荷型の生産・消費の社会・低環境負荷政策（3Rなど）の循環型流通・少量作る・少量売る・少量使う（再利用）・低いリサイクル効率

経済拡張を実現するサーキュラー・エコノミー・低環境負荷型の原料供給・廃棄物の資源化（低いリサイクル効率の改善など）・人工的な資源の創出（次世代エネルギーなど）

地球規模の環境問題・資源の枯渇・ゴミ問題・温室効果ガス増加 など

経済成長の限界・生産の低下・消費の低下・新製品開発の抑制

直線型流通

循環型流通

循環型経済システム

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白金族金属のリサイクル

63.5

白金

46.4

16.1

1.0

87.8

パラジウム

59.0

25.6

3.3

52.0

19.9

12.7

7.76.25.6

77.2

11.9

38.7

11.1

5.5

9.9

輸出

触媒

電気

宝飾その他

輸出

触媒

歯科

電気

その他

輸入

国内精錬副産物

国内回収

輸入

国内回収

供給(純分t)

需要(純分t)

国内精錬副産物

白金・最近の国内需要は60~50純分t・供給の73%は輸入・需要の24％は自動車排ガス用の触媒・使用済み触媒からのリサイクルは5.8%・電気製品からのリサクルは不明・宝飾製品はほとんどリユース

JOGMEC 2016年データ

パラジウム・最近の国内需要は80純分t・供給の73%は輸入・需要の38.7％は自動車排ガス用の触媒・使用済み触媒からのリサイクルは6.0%・電気製品からのリサクルは不明・使用済み歯科材料からのリサイクルは80%以上・宝飾製品はほとんどリユース

パラジウムと白金には効率的なリサイクル技術が期待＜問題点＞• 難溶解性で効率的な濃縮工程の必要性• 廃材に含有する他の金属が存在し、それらとの特異的分離回

収の必要性• パラジウムと白金の浸出には熱、電気、pHによる物理化学的

分離には多段階の高環境負荷型工程の必要性

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従来技術とその問題点

既に実用化されているレアメタル回収技術には湿式法等があるが、

（１）物理化学的性質によって分離回収を行う

ため金属種の選択性に限界

（２）バイオプロセスの利用が期待される金属

吸着微生物による実用化に至らない

等の問題がある。

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金属資源化への微生物バイオプロセスの応用

バイオリーチング（金属浸出）バイオミネラリゼーション（金属還元）

原料 精錬 単離（精製）

バイオソープション（金属吸着）バイオアキュミュレーション（金属蓄積）

「培養技術」「微生物機能の調整や改変技術」が課題

• (1) 省エネルギー：常温・常圧（原則）• (2) 低環境負荷：有機溶媒など不要• (3) 低コスト：培養のみ（特に微生物）

多様性の面から微生物に着目（応用微生物学）

＜バイオプロセスの利点＞

＜微生物バイオプロセスによる金属資源化＞

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メタルバイオロジー（金属生物学）の勃興Known proteins

Known structures

Known structures with metals

In 1,371 different enzymes with 3D-structure47% required metals19% containing metals

Andreini et al., Metal ions in biological catalysis: from enzyme databases to general principles. (2008) J. Biol. Inorg. Chem. 13, 1205-12018.

ゲノム情報からタンパク質全体の50%以上は金属結合能をもつ

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新技術の特徴・従来技術との比較

• 経済性に優れた金属回収単体としての大腸菌

• 金属（無機物）に対して、新しく合成生物学的アプローチが可能なこと（大腸菌）を立証

• 金属資源化に利用できる大腸菌をデザイン育種

レアメタルの高い選択性の細胞内蓄積

レアメタルの高い選択性の細胞表層蓄積

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大腸菌をもちいるメリット

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大腸菌をもちいる2つのメリットーその１• Microbes Medium Generation

Time(minutes)• Escherichia coli Glucose-salts 17• Bacillus megaterium Sucrose-salts 25• Streptococcus lactis Milk 26• Streptococcus lactis Lactose broth 48• Staphylococcus aureus Heart infusion broth 27-30• Lactobacillus acidophilus Milk 66-87• Rhizobium japonicum Mannitol-salts-yeast extract 344-461• Mycobacterium tuberculosis Synthetic 792-932• Treponema pallidum Rabbit testes 1980

• Saccharomyces cerevisiae YPD 90

The Growth of Bacterial Populations -Todar's Online Textbook of Bacteriology大腸菌の速い増殖

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大腸菌をもちいる2つのメリットーその１

経済的な大腸菌増産（化学試薬ベース試算）

1 L

1.0 x 109 cells/mL

1.0 x 1012 cells x 1 pg= ~1 g

(~¥350)

培養

常温・常圧

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大腸菌をもちいる2つのメリットーその２

三宅, 山本ら（2017）ConBio2017

大腸菌の遺伝子改変技術1970年ごろ確立多種多様な技術が開発

大腸菌のゲノム改変技術1950年ごろ発見2015年 CRISPR-Cas9応用2017年 一塩基レベルの改変

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大腸菌をもちいた2つの金属資源化戦略

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Yannone et al., (2012) Curr. Opin. Biotechnol. 23, 89-95.

生物は複数種の金属を利用／生物種によって金属含有量が異なる

刷新された生物構成金属元素

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金属資源化を目指す2つの大腸菌育種戦略

小島, 山本（2018）2018年度日本農芸化学会年会

Bioaccumulation

生物に利用されている金属元素

金属特異的輸送システムと金属特異的結合タンパク質を利用→大腸菌の細胞内に金属を高蓄積

生物に利用されていない金属元素

表層タンパク質へ金属結合ペプチドを導入→大腸菌の細胞表層に金属を吸着させる

Bioabsorption

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バイオアキュムレーション

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大腸菌の細胞内金属ホメオスタシス

Outten & O’Halloran (2001) Science

Mg ~ 0.1 mMK ~ 100 mMCa ~ 1 mMV ~ 0.01 mMCr ~ 0.1 mMMn ~ 0.01 mMFe ~ 0.1 mMCo ~0.001 mMNi ~ 0.01 mMCu ~ 0.1 mMZn ~ 0.1 mMSe ~ 0.01 mMMo ~ 0.01 mM

~ 10 mM~ 100 mM~ 0.1 mM~ 0.1 mM~ 0.1 mM~ 1 mM~ 100 mM~ 0.1 mM~ 1 mM~ 1 mM~ 100 mM~ 0.1 mM~ 1 mM

x 10x 1x 100x 10x 1x 100x 1,000x 100x 100x 10x 1,000x 10x 100

in A minimal medium* (MM) in cells grown in MM Enrichiment

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大腸菌による希薄金属培地からの金属濃縮

Time

Gro

wth

1 L

1.0 x 1012 cells (1.0 x 109 cells/mL)

~1 mL (1.0 x 1012 cells x 1 fL)Mn 550 ngCo 59 ngNi 590 ngMo 960 ng

Mn 55 ngCo 5.9 ngNi 59 ngMo 96 ng

Mn ~ 0.01 mMCo ~0.001 mMNi ~ 0.01 mMMo ~ 0.01 mM

Mn ~ 1 mMCo ~0.1 mMNi ~ 1 mMMo ~ 1 mM

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大腸菌の金属輸送システム

MgtACorABCD

KdpABC Kup

TrkAEHTrkAEG

MntH FecABCDE FhuABCDENikABCDEFeoAB FepABCDG

ModABCDZnuABC

NhaA NhaB KefB KefC MscK ChaA CopACusABC

ZntA ArsAB

Na+

Mg2+ K+ Mn2+ Fe2+ Fe3+ Ni2+

Ca2+ Cu2+ Zn2+ As3+

MoO42-

Na+

Mg2+ K+ K+ K+ Fe3+ Fe3+ Zn2+

Cu2+K+ K+ K+

Hobman, Yamamoto & Oshima (2007) Microbiology Monographs

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大腸菌のモリブデン恒常制御システム

細胞内

細胞外膜

細胞内膜

modモリブデン取り込みシステム

MoO42-

ModE

moaモリブデン結合因子

dmsynf

Kurata, Yamamoto et al., (2013) J. Bacteriol.

モリブデン結合因子

1O7LMolybdate-activated form of ModEfrom Escherichia coli

MoO42-

ModE

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モリブデンを高い選択制で蓄積する大腸菌育種

小島, 山本（2018）2018年度日本農芸化学会年会組み換え微生物 特許6432818

< Mo Homeostasis in Escherichia coli >

For Mo homeostasis, only specific import transport system works. Importer gene expression is repressed by transcription factor binding to metal.

modABC-modFexpression plasmid

modEexpression plasmid

< Mo Bioaccumulation System with Escherichia coli >

< Molybdate Sensibility >

< Mo concentration >

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バイオアブソープション

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テルビウム結合ペプチド

Peptide 2

Peptide 1

Peptide 2

Peptide 1

23

テルビウム結合ペプチド

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テルビウム結合ペプチドを提示した大腸菌育種

02468

10121416

大腸菌細胞↓MES bufferで洗浄↓100 µM 金属溶液菌体に金属イオンを吸着↓遠心分離による集菌↓MES bufferで洗浄↓100 mM EDTA菌体に吸着した金属イオンを脱離↓遠心分離↓吸着後上清（脱離液）を回収↓ICP-AESによる金属イオン濃度測定

Tb吸

着量

（mM

）

親株

組み

換え

体

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レアメタル蓄積・吸着する大腸菌のデザイン育種

細胞外ベシクルの利用

・効率的、安定的に供給が可能である・遺伝組み換え生物として扱う必要がない

外膜タンパク質へ金属結合ペプチドを導入→細胞表層で金属を特異的に吸着

Bioaccumulation Bioabsorption

金属特異的輸送システムを利用→細胞内に取り込まれる金属の高蓄積

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想定される用途

• 大腸菌バイオプロセスによる新しいレアメタル回収技術の基盤提供

• 現行リサイクル技術より高い純度でのレアメタル再資源化

• 海水などからのレアメタル濃縮による資源化

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実用化に向けた課題• 現在、モリブデン以外のレアメタルに対するバイオ

アキュムレーション大腸菌の育種について設計、開発中。

• 今後、レアメタルのバイオアキュムレーション大腸菌の蓄積能について実験データを取得し、廃材からの金属資源化に適用していく場合の条件設定を行っていく。

• また、実用化に向けて資源化効率を3オーダー程度向上できるよう技術開発する必要もあり。

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企業への期待• リサイクルなどで特異的な金属資源化（回収）

については、本大腸菌育種技術により克服できると考えている。

• 金属など資源分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

• また、微生物をもちいたバイオプロセスに関する技術を開発中の企業には、本技術の導入も有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：①組換え微生物

②金属の回収方法、並びに金属回収用担体及び

これを用いた金属の回収用バイオリアクター

• 公開番号：②WO2018/203539• 登録番号：①特許6432818• 出願人 ：①学校法人法政大学

②学校法人法政大学 他

• 発明者 ：①山本兼由

②山本兼由 他

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産学連携の経歴（任意）

• 2008年-2013年 味の素（株）と共同研究実施

• 2011年-2012年 JST A-STEP 探索タイプ事業に採択

• 2013年-2014年 JST A-STEP 探索タイプ事業に採択

• 2015年-2017年 民間企業と共同研究実施

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お問い合わせ先

法政大学 研究開発センター

産学連携コーディネーター 中江 博之

ＴＥＬ 042－387－6501

ＦＡＸ 042－387－6335

e-mail : liaison@ml.hosei.ac.jp