バイオリファイナリーとは、再生可能資源であるバイオマスからバイオプロセスにより化学品や燃料を生産するコンセプトで、循環型社会構築への大きな役割が期待され、米国では、国家科学戦略として技術開発が進められています（図1）。微生物分子機能学研究室ではアミノ酸工業生産に広く用いられているコリネ型細菌を利用した高効率バイオプロセス「増殖非依存型バイオプロセス」を開発しました。高生産性のkeyは、微生物細胞の分裂増殖を人為的に停止した状態で化合物を製造させることにあります。遺伝子レベルで機能改良した微生物細胞を大量に調製し、反応槽に高密度に充填、分裂増殖を停止させた状態で高速度の反応を行います。微生物細胞をあたかも化学プロセスにおける触媒のように利用することで通常の化学プロセスと同等以上の生産性（space time yield；STY, 単位反応容積の時間あたりの生産量）が実現されます（図2）。生産性の飛躍的向上を目指して、トランスクリプトーム解析やメタボローム解析、遺伝子ネットワーク解析等を統合して代謝経路の設計を行うシステムバイオロジーに取り組み、生産物に最適な微生物細胞を創製しています（図3）。

増殖非依存型バイオプロセスを利用して、稲わらやコーンストーバーなどの非食料バイオマスからバイオエタノールを製造する基盤技術を確立し、米国エネルギー省研究所（NREL）と共同で実用化を目指した研究開発を進めています。この他、次世代燃料として期待されるバイオブタノールや、種々な産業で用いられる各種ポリマー原料となる有機酸、アルコール、芳香族化合物等の各種グリーン化学品の生産基盤技術にも取り組んでいます。

代謝工学的改変手法によるバイオプロセスの開発には、原料とする糖類から目的化合物生成に至る代謝経路の構築・強化だけでなく、酸化還元バランスの調整や生産物（代謝中間産物）毒性に対する耐性強化など、細胞内・外の環境変化に対する頑健性を向上させることが求められます。このため、宿主微生物における糖代謝系、エネルギー生成系、補酵素再生系などの代謝制御機構に加え、各種ストレス（酸化・還元ストレス、酸・アルカリストレス、熱ストレス、浸透圧ストレスなど）応答制御機構を包括的に理解することが極めて重要です。当研究室では独自に解読したコリネ型細菌のゲノム情報に基づき、物質代謝や細胞複製に関与する様々な遺伝子の機能と発現制御機構の解析を行っています。遺伝子発現制御因子の活性化機構を明らかにし、また、その欠損／活性化の影響を網羅的に解析することにより、本菌のユニークな遺伝子発現制御ネットワークが見えてきます。このゲノムワイドな遺伝子発現制御ネットワークの理解は代謝工学的改変手法における遺伝子発現レベルの最適化技術の基盤として不可欠です。