低炭素社会の構築に向けて，再生可能で食糧と競合しないリグノセルロース系バイオマス資源からバイオ燃料や化学品を生産する 「バイオリファイナリー」 の確立が求められている。糖プラットフォームを用いるバイオエタノール生産を例に取ると，そのプロセスは、結晶化したバイオマスを膨潤化する前処理工程，バイオマスを加水分解する酵素処理工程，微生物による発酵工程，生産物の分離回収工程から成り立っており，省エネルギーかつ低コストなプロセス開発の成否が実用化の鍵を握っている。微生物の細胞表層にセルラーゼを集積させる「細胞表層工学技術」は，酵素生産と糖化，発酵をワンパッケージ化することが可能であり，プロセスを簡略化することができる。また、高価なセルラーゼ製剤の生産に必要となる材料や設備の省略が可能となる。一方で，発酵を効率化するには，微生物細胞内の代謝メカニズムを機能的な方向に改変する必要がある。筆者らはトランスクリプトーム解析やメタボローム解析等のマルチオミクス技術を活用して微生物の代謝系を遺伝子レベルや代謝物レベルで網羅的に解析することで新規の微生物改変戦略を立案し，その発酵性能を向上させることに成功してきた。微生物をより優れたエタノール生産工場にするためには，代謝をシステムとして理解し，合理的に改変することが重要である。本稿では細胞表層工学技術と代謝工学技術を組合せた微生物によるバイオエタノール生産について紹介する。

理化学研究所 酵素研究チームでは，植物バイオマスおよび海洋バイオマスからバイオポリマーを生合成することを目指し研究を進めている。本総説では，バイオプラスチックであるポリヒドロキシアルカン酸 （PHA） の合成酵素に関する研究および海洋微生物によるPHA合成に関する研究を紹介する。また，熱的性質，光学的性質，結晶性等に優れた新規のPHAの開発を進めており，近年では透明性に優れたPHAや他のPHAと異なる熱的性質を示す新規PHAの合成に成功している。これらの成果に加えて，植物や藻類による二酸化炭素からのPHA合成等，今後の課題についても触れる。

木質バイオマス利用の考え方，ポイントを概観したのち，我々が開発した3種類の木質バイオマス熱化学成分分離法を紹介した。この中で，直接酸糖化法はリグニン固体を残してセルロース留分を酸糖化し取り出す高効率な前処理法であることを示した。次に，リグニンの有効利用法として，リグニン留分を熱化学的に有用な化成品に変換する方法を提案した。過酸化水素を添加して200℃で数分処理することで，たった3種類の有機酸 （ギ酸，酢酸，コハク酸） を計45 wt％の収率で得ることに成功した。最後に，木質バイオマスから有用化成品に直接変換する熱化学プロセスを示した。方法は過酸化水素による液相酸化と水熱分解の2段階プロセスである。0.5％過酸化水素を添加して200℃で酸化分解したのち，240℃で水熱分解することで，フルフラール，HMFなどの数種類の有用化成品をそれぞれ12～20％製造できることを見出した。以上，木質バイオマスの熱化学変換は有用化成品を製造する魅力的な方法になることが明確に示された。

植物油脂を基盤とするバイオプラスチックの研究動向を紹介する。大豆油や亜麻仁油のエポキシ化物を酸無水物と硬化させることで高性能ネットワークポリマーが創製された。また，エポキシ化植物油脂の硬化物をセルロース等のバイオフィラーと複合化することにより，油脂ポリマーの物性が向上した。ナイロンのモノマー合成に用いられるヒマシ油を原料とするポリウレタンフォーム用のポリオールが開発された。ヒマシ油を開始剤とする乳酸あるいはラクチドの重合により得られる分岐状ポリ乳酸はバイオプラスチック用の可塑剤や結晶核剤として作用する。

現在，様々なバイオベースプラスチックが開発されているが，熱的あるいは機械的性質，加工性，生産性，原料問題など多くの課題を抱えている。本稿では，微生物産生ポリエステル合成において炭素源を糖から非可食系植物油へ転換する取り組み，木質バイオマスの1つでこれまで廃棄されてきたヘミセルロースであるキシランの有効利用に関する研究，食品廃棄物の1つであるコーヒーの搾り滓から抽出されるカフェ酸を原料としたポリエステル合成に関する筆者らの最近の研究成果について紹介する。