研究内容 (Research subjects)
微生物は、肉眼では見えない小さな生き物です。しかし、その中には、アーキア、細菌（バクテリア）、酵母やカビなどの多様な生き物が存在し、驚くべき機能を発揮する微生物もいます。生物機能変換学分野では、微生物の優れた機能を発掘し、それらの機能を司る仕組み（機構：メカニズム）を、細胞、分子（遺伝子やタンパク質）、ならびに原子レベルで明らかにすることを研究の基盤とします。また、得られた成果に基づいて、微生物の機能を改良することにより、我々の生活に役立たせること（例えば、持続可能な開発目標SDGsの達成）を目指しています。これらを推進するため、各種オミクス（ゲノム・トランスクリプトーム・プロテオーム・メタボローム解析など）を含めて、分子生物学（遺伝子やタンパク質・酵素の機能解析）、細胞生物学（電子・蛍光顕微鏡解析）、構造生物学（X線結晶構造解析）、および合成生物学（代謝物質や遺伝子発現解析）的手法を駆使しています。
（１）常在菌と宿主との相互作用
我々ヒトも含めて、ほとんどの生き物（動物、植物や微生物）は多様な微生物と何らかの関わりをもっています。特に、常に関わりをもつ微生物は常在菌と呼ばれ、腸内細菌叢はその典型です。腸内細菌は、動物の腸管内に存在する微生物群の一種です。最近では、腸内細菌が我々の健康に重要な役割を担っていることが示されています。動物の常在菌には、動物の細胞外粘液層を定着や分解の標的とする微生物が存在します。当分野では、微生物の動物細胞外粘液層への作用機構を解析することにより、微生物と動物との関わりを理解することに努めています。得られた成果を、有益な微生物の定着を促進する応用研究に繋げます。また、食品による腸内細菌叢の変化についても解析しています。
納豆や漬物といった発酵食品も、微生物の植物への作用による産物と捉えることができます。それらの作用機構を解析することにより、発酵食品の製造プロセスを理解し、より美味しくすることにも挑戦しています。すでに、納豆菌の大豆に対する初期応答を遺伝子レベルで明らかにしています。また、植物（果皮など）の表面に常在する微生物叢とその発酵食品・醸造酒との関わりについても研究しています。
（２）微生物細胞の膜流動による形態変化
真核生物では細胞から膜小胞であるエクソソームが分泌され、細胞の情報伝達などの重要な機能を示すことが明らかにされています。一方、原核生物である細菌においても、細胞から遊離される膜小胞の存在が知られています。当分野では、多糖を内包するエクソソーム様膜小胞を細菌に見出しました。また、大豆表面などの固体培地上で、細胞の極付近で膜の部分的分解による特殊な形態（「洞穴」）を示す細菌も発見しました。このような膜小胞の形成や膜の部分的分解を伴う細菌細胞の膜流動による形態変化は生存戦略の一つとして機能している可能性が考えられます。それらの機能と形成機構を解析することは、細菌の生存戦略の解明や原核生物から真核生物への進化の一過程の理解に繫がると期待されます。腸内細菌が産生する膜小胞についても解析を進めています。
（３）微生物による高分子物質の利用
一般に、微生物が多糖やタンパク質といった高分子物質を利用する場合、細胞外に低分子化酵素を分泌し、低分子化物（オリゴ糖やペプチド）を取り込みます。一方、微生物A1株は、多糖であるアルギン酸やペクチンを栄養源として利用しますが、アルギン酸を細胞外で低分子化することなく、直接細胞内に取り込みます。その取り込みに関わる細胞表層の「体腔」（口に相当する器官）と「ABCトランスポーター」について、機能・構造解析を続けています。また、本菌は、べん毛運動を介して、アルギン酸やペクチンに対して走化性を示す（接近する）ことも分かってきました。そこで、細胞外に存在する高分子多糖の認識と走化性発現を解析しています。これまで、微生物による高分子物質に関する取り込みや走化性応答はほとんど知られていない現象ですので、この特異な機能を活用して、多糖の高度利用に繋げることを目指しています。
（４）微生物による金属の回収
全ての生き物は、その生存に金属（イオン）を必要とし、機能に重要な金属を含むタンパク質や酵素を作ります。微生物も、外的環境から巧妙に金属を取り込みます。例えば、シデロフォアという金属と結合する物質を細胞外に分泌し、金属を結合したシデロフォアを細胞内に回収します。一方、金属タンパク質の中に、希少な金属（レアメタル）と結合するタンパク質が見つかってきました。そこで、微生物の金属取り込みに関わる仕組みを解析し、その成果をレアメタルの回収に応用することに挑戦しています。また、微生物の金属タンパク質がヒト癌細胞の増殖を阻害することから、その構造と機能を解析することにより、金属タンパク質の医薬などへの新たな利用展開に努めています。
（５）微生物による有用物質生産
二酸化炭素排出による地球温暖化や化石燃料の枯渇を抑制するため、自然エネルギーの導入が求められており、資源の乏しい日本においては社会的にも重要な課題の一つです。国土面積に比して、広大な海域をもつ日本では、海洋資源の有効活用は課題解決の足がかりとなります。例えば、海藻の一種である褐藻類を、海洋で炭酸固定されたブルーカーボンの貯留生物として利活用することは大切です。すでに、褐藻類に多く含まれるアルギン酸から、バイオ燃料（エタノール）やその他の有用化合物（ピルビン酸）を生産する遺伝子改変細菌を作り出しています。現在は細菌のみならず真核微生物（酵母など）または共生系（複合微生物）にも着目し、褐藻類からの有用物質の生産を目指しています。
一方、廃棄物からの有用物質生産にも取り組んでいます。現在、アンモニアは次世代エネルギーとして注目されています。大気窒素をアンモニアに変換する微生物（窒素固定細菌）を用いて、廃棄物から有用ポリマー（生分解性プラスチック素材）の生産を達成しています。窒素固定の仕組みを明らかにし、窒素固定細菌を利活用することは、大気窒素活用型発酵生産法の確立に繋がります。