微水系 （びすいけい）(microaqueous system または micro-aqueous system)は、酵素や生細胞による触媒 反応の一つ。微水系をJISの定義より少し範囲を広げて、「従来の一般的な酵素反応 ・微生物反応に比較して使用される水の量が著しく少ない反応系」について議論する。また、酵素反応 および微生物反応はまとめれば生化学反応であるから、「酵素 や生物細胞（主に微生物菌体, whole cell）を触媒として使用する生化学反応（すなわち、酵素反応 および微生物反応）」と定義する。ついで、概要で微水系における生化学反応の利点を7点述べる。さらに、微水系を有機溶媒系と無溶媒系の2分野に分類して、無溶媒系の利点を4点述べる。本文として、微水系における水の状態（酵素蛋白質に結合した水の量と溶媒中に溶解した遊離水の量との関係）を定量的に記述する。また、微水系における酵素の種類及びその使用形態、使用される有機溶媒の種類について詳しく述べる。最後に、微水系バイオリアクター について概説する。
微水系とは、日本工業規格 (JIS)の生体工学用語（生体科学部門）では「従来の一般的な酵素反応・微生物反応に比較して有機溶媒中で使用される水の量が著しく少ない反応系」と定義されている[ 1]
しかし、後述するように、有機溶媒を使用しない系での生化学反応も多数あるので、JISの定義よりも少し範囲を広げて、「従来の一般的な酵素反応・微生物反応に比較して使用される水の量が著しく少ない生化学反応系」について議論する。ここで、生化学反応とは、酵素(enzyme)や生物細胞（主に微生物菌体, whole cell）を触媒として使用する化学反応の総称である。また、酵素や微生物菌体をまとめて、生体触媒(biocatalyst)と総称することもある。
酵素反応や微生物反応は、一般的には大過剰の水の中に存在する酵素もしくは微生物によって引き起こされる反応である。しかし、反応系の水の量を減らすことによって、収率や生産性が飛躍的に向上する場合がある。有機溶媒を用いる生化学反応はほぼすべてこれに含まれる。
酵素反応や微生物反応を微水系で実施すると、次のような利点がある。
脂溶性基質（すなわち水難溶性基質）の溶解度を高めることができる。
熱力学的平衡を加水分解から合成へとシフトさせられる。
水に依存する副反応を抑制できる。
酵素の特異性（選択性）を変えられる。
固定化はしばしば不要である（酵素は有機溶媒に不溶であり、従って単なる濾過で回収できる）。
固定化が望ましいときでも、坦体表面への単なる沈着で十分である。
低沸点溶媒からの生成物の回収は容易である。
酵素の熱安定性が向上する（理由は後述）。
微生物汚染がない。 最後の点は工業的プロセスにとって非常に大きなメリットである。[ 2]
溶媒系(solvent system)
無溶媒系(solvent-free system or neat system) 2.の系は、基質が液状の有機化合物でこの中に（固定化）酵素もしくは微生物菌体を分散懸濁させたような反応系を想定している。反応例としては、Biodiesel Fuel(BDF、バイオディーゼル燃料）製造のためのリパーゼによる油脂のメタノリシス反応（表 1. 参照）[ 3] [ 4] [ 5] グリセロリシス 反応（表 1. 参照）などである。酵素による油脂のグリセロリス反応とは、酵素としてリパーゼを使用して、溶媒を使用せず油脂(triacylglycerol)とグリセリン(glycerol)とのみの反応であり、反応の量論式は、
Triacylglycerol + 2(Glycerol) ---> 3(Monoacylglycerol)
グリセリン中の水分は3-4％が望ましく、0％近くでは反応は起こらず、4％より増やすと増加するにつれて遊離脂肪酸（油脂の加水分解による）が副生・増加して望ましくない[ 6] [ 7] [ 8] [ 9]
このような無溶媒系の利点は、
バイオリアクターの容積効率が極めて高い（最終的にはリアクター内には生成物と未反応基質と酵素のみしか存在しない）。
溶媒による酵素失活がない。
バイオリアクターやバイオプラントの有機溶媒に対する防火・防爆対策が必要ない。
健康上安全である。 4.は、工場現場での作業員の健康（労働環境）と、製品が食品である場合の消費者の健康の2つの面での安全性である。
微水系での酵素反応は、酵素工学と有機化学との境界領域として、脂質 、糖質 、ペプチド 、キラル化合物 等の変換・合成のために活発に研究されてきた[ 10] [ 11] [ 12] 酸化 、2）還元 、3）加水分解 反応の逆反応としての合成反応または転位反応によるエステル 、アミド 、グリコシド結合 の生成、4）付加反応 、置換反応 によるＣ－Ｏ，Ｃ－Ｎ結合の生成、5）Ｃ－Ｃ結合の生成、6）重合反応 、などである。これらの反応は本来有機化学反応としては容易であるから、酵素利用の利点はキラリティーに係わる特異性、選択性（反応特異性、基質特異性、立体選択性、官能基選択性、配列特異性、位置選択性など）に優れている点であり、これを生かすような反応に最も魅力がある。また、保護基 の導入や脱離の必要がなく選択性はワンステップで達成できるので、プロセスが簡単になる。さらに、一般に反応条件が温和であるため、不安定な物質の合成に適している。微水系での酵素反応に最も多く用いられる酵素であるリパーゼ が触媒する反応のタイプを表 1.示す[ 13] [ 14]
表 1. リパーゼが触媒する反応の分類[ 13]
反応式
(1) エステルの加水分解
R1 COOR2 + H2 O → R1 COOH + R2 OH
(2) エステルの合成
R1 COOH + R2 OH → R1 COOR2 + H2 O
(3) エステル転位
(3.1) アルコホリシス (alcoholysis)
R1 COOR2 + R3 OH → R1 COOR3 + R2 OH
(アルコールがメタノールの場合はメタノリシス(methanolysis)、エタノールの場合は
エタノリシス(ethanolysis)、グリセロールの場合はグリセロリシス(glycerolysis)と呼ばれる。)
(3.2) アシドリシス (acidolysis)
R1 COOR2 + R4 COOH → R4 COOR2 + R1 COOH
(3.3) エステル交換 (interesterification)
R1 COOR2 + R3 COOR4 → R1 COOR4 + R3 COOR2
(3.4) アミノリシス (aminolysis)
R1 COOR2 + R3 NH2 → R1 CONHR3 + R2 OH
ラクトン合成反応とエステル転位反応に及ぼす遊離微水分の影響、(a) エステル（ラクトン）合成[ 15] [ 16]
有機溶媒中あるいは無溶媒系で、生化学反応を行うとき、注意すべきは、反応系の水分が、1）反応速度、2）収率や選択率、3）操作安定性、などに強く影響することである。厳密に科学的には水系(aqueous system)の反対は水を全く含まない無水系(anhydrous system)または非水系(nonaqueous system)であるが、文字通り全くの「水無し」では生化学反応は起こらない。酵素は蛋白質 でありその触媒活性発現のためには蛋白質のゆらぎが必要であり、そのゆらぎを保証するのが結合水である。干からびた蛋白質はたとえて言うとスルメのようなものであり、ゆらぐことはできない。そこで、微量の水分の重要性を強調するため、「微水系（microaqueous systemまたはmicro-aqueous system）」という用語が1987年に初めて提唱され[ 17] [ 18] [ 19] [ 15] [ 16] Candida antarctica 産生のlipase type B(CALBと略称されている)は微水分の章の最初の図の(b)に見られるように、例外的にほとんど無水状態でも十分な活性を示している。一般的には、エステル転位反応に及ぼす遊離微水分の影響は、右下図のようである。
酵素（リパーゼ）によるエステル転位反応に及ぼす遊離微水分の影響（一般的プロフィール） 微水有機溶媒中に酵素粉末もしくは酵素を固定化した微細坦体粒子を分散懸濁した場合、系全体の水分、
c
t
o
t
a
l
w
a
t
e
r
{\displaystyle c_{total\,water}}
微水有機溶媒中に懸濁された粉末蛋白質に結合した水分子と遊離自由水分子との平衡： (a) 平衡の概念、 (b1) 水と混和する有機溶媒の場合、(b2) 水と混和しない有機溶媒の場合、 (b3) アルカン(alkane)の場合
水と混和する有機溶媒の場合はラングミュアの吸着等温曲線 を示す（図(b1)参照）:
y
=
(
y
m
a
x
c
w
)
/
(
k
1
+
c
w
)
{\displaystyle y=(y_{max}c_{w})/(k_{1}+c_{w})}
微水有機溶媒中の酵素の状態、 (a) 粗製酵素の場合、(b) 精製酵素の場合
従って、その活性はそれら不純物の種類と量によって強く影響される。微水有機溶媒中に分散すれば、粗製酵素は粉末はそれだけで十分な活性を示すが、しかし精製酵素粉末の場合は、微水分と適当な活性促進物質（糖アルコールなど）と適当な坦体（セライトなど）の3者が最適な割合で存在するときのみ、充分な活性と安定性が得られると考えられる（図(b)参照）[ 31]
微水系での酵素反応も、その速度式は水系のそれ、すなわち基質の有機溶媒中の濃度に関しては基本的にはミカエリス・メンテン式 に従う[ 36]
熱失活とは蛋白質の3次構造が変化すること（活性なフォールディング →不活性なフォールディング）であり、この変化には水が関係している。それゆえ、完全な無水有機溶媒中ではこの変化は起こらないから、酵素の熱安定性はきわめて良くなる[ 29]
t
1
/
2
{\displaystyle t_{1/2}}
バイオエステル化反応のための浸透気化を組み込んだバイオリアクターシステム 1．固定化リパーゼを充填した充填層型バイオリアクター、2．混合液槽、3．浸透気化膜モジュール、4．真空ポンプ、5．混合液循環用ポンプ、6．圧力計
微水系生化学反応の対象となるのは、疎水性化合物である。望ましい有機溶媒中で十分かつ長時間安定な酵素が得られればそれを組み込んだ微水系バイオリアクターが構築できる。通常の水系バイオリアクターと比較して微水系バイオリアクターはどこが違うかと言えば、それは微水分の最適制御である（実例は、出典[ 40] [ 41] [ 42] [ 43] [ 44]
^ JIS生体工学用語（生体化学部門）(JIS K3610 1992-3105).
^ Tsuneo Yamane (2001) “Solvent-free biotransformations of lipids” in “Enzyme in nonaqueous solvent” (in the series, Methods in Biotechnology) ed. by J. Vulfson, P. J. Halling and H. L. Holland, Chap. 38(pp. 509-516), The Humana Press Inc., New York.
^ Shimada, Yuji; Watanabea, Yomi; Samukawa, Taichi; Sugihara, Akio; Noda, Hideo; Fukuda, Hideki; Tominaga, Yosio (1999)” Conversion of plant oil to biodiesel using immobilized Candida antarctica lipase” Journal of The American Oil Chemists’ Society , 76 (7), 789-793.
^ Kaieda, Masaru; Samukawa, Taichi; Kondo, Akihiko; Fukuda, Hideki (2001) “Effect of methanol and water contents on production of biodiesel fuel from plant oil catalyzed by various lipases in a solvent-free system”Journal of bioscience and bioengineering , 91 (1), 12-15.
^ Han, Jeong Jun; Iwasaki, Yugo; Yamane, Tsuneo (1999-01-01). “Monitoring of lipase-catalyzed transesterification between eicosapentaenoic acid ethyl ester and tricaprylin by silver ion high-performance liquid chromatography and high-temperature gas chromatography” (英語). Journal of the American Oil Chemists' Society 76 (1): 31–39. doi :10.1007/s11746-999-0044-0 . ISSN 1558-9331 . https://doi.org/10.1007/s11746-999-0044-0 . ^ Yamane, Tsuneo; Hoq, Mohammad M.; Itoh, Sumiyo; Shimizu, Shoichi (1986). “Glycerolysis of fat by lipase”. Journal of the Japan Oil Chemists' Society , 35 (8): 625-631.
^ McNeill, Gerald, P.; Shimizu, Shoichi; Yamane, Tsuneo (1990). “Solid phase enzymatic glycerolysis of beef tallow resulting in a high yield of monoglycerides”. Journal of the American Oil Chemists' Society , 67 (11): 779-783.
^ McNeill, Gerald, P.; Shimizu, Shoichi; Yamane, Tsuneo (1991).“High yield enzymatic glycerolysis of fats and oils”. Journal of the American Oil Chemists' Society , 68 (1): 1-5.
^ Rosu, Roxana; Uozaki, Yuki; Iwasaki, Yugo; Yamane, Ysuneo (1997). “Repeated use of immobilized lipase for monoacylglycerol production by solid phase glycerolysis of olive oil”. Journal of the American Oil Chemists’ Society , 74 (4): 445-450.
^ 山田靖宙、(1988) "非水溶媒中の酵素反応"、 化学と生物、26 (11): 706-711.
^ 北口博司、(1995) "有機溶媒中の酵素反応" 、有機合成化学協会誌、52 (5): 381-391.
^ Patrick Aldercreutz, (2013) "Immobilization and application of lipases in organic media", Chem. Soc. Rew. , 42 : 6406-6436.
^ a b Yamane, Tsuneo (1987-12-01). “Enzyme technology for the lipids industry: An engineering overview” (英語). Journal of the American Oil Chemists’ Society 64 (12): 1657–1662. doi :10.1007/BF02542499 . ISSN 1558-9331 . https://doi.org/10.1007/BF02542499 .
^ 山根恒夫、岩崎雄吾、(2000) "機能性油脂とバイオテクノロジー" バイオサイエンスとインダストリー：58 (12), 839-844.
^ a b c Yamane, Tsuneo; Kojima, Yoshikazu; Ichiryu, Takayuki; Nagata, Masahiro; Shimizu, Shoichi (1989-09). “Intramolecular esterification by lipase powder in microaqueous benzene: Effect of moisture content” (英語). Biotechnology and Bioengineering 34 (6): 838–843. doi :10.1002/bit.260340613 . ISSN 0006-3592 . https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.260340613 .
^ a b Piyatheerawong, Weera; Iwasaki, Yugo; Xu, Xuebing; Yamane, Tsuneo (2004-04). “Dependency of water concentration on ethanolysis of trioleoylglycerol by lipases” (英語). Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 28 (1): 19–24. doi :10.1016/j.molcatb.2004.01.008 . https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1381117704000207 .
^ Yamane, Tsuneo; Kojima, Yoshikazu; Ichiryu, Takayuki; Shimizu, Shoichi (1988-12). “Biocatalysis in a Microaqueous Organic Solvent” (英語). Annals of the New York Academy of Sciences 542 (1): 282–293. doi :10.1111/j.1749-6632.1988.tb25844.x . ISSN 0077-8923 . https://nyaspubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1749-6632.1988.tb25844.x . ^ Yamane, Tsuneo (1988-01). “Importance of Moisture Content Control for Enzymatic Reactions in Organic Solvents: A Novel Concept of ‘Microaqueous’” (英語). Biocatalysis 2 (1): 1–9. doi :10.3109/10242428808998174 . ISSN 0886-4454 . https://www.tandfonline.com/doi/full/10.3109/10242428808998174 . ^ Yamane, Tsuneo (1987). “Microaqueous Biocatalysis System” . Journal of Japan Oil Chemists' Society 36 (10): 761–768. doi :10.5650/jos1956.36.761 . ISSN 1884-2003 . http://www.jstage.jst.go.jp/article/jos1956/36/10/36_10_761/_article . ^ Halling, Peter J. (1990-09). “High-affinity binding of water by proteins is similar in air and in organic solvents” (英語). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Protein Structure and Molecular Enzymology 1040 (2): 225–228. doi :10.1016/0167-4838(90)90080-Y . https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/016748389090080Y . ^ Bell, George; Halling, Peter J.; May, Lindsey; Moore, Barry D.; Robb, Donald A.; Ulijn, Rein; Valivety, Rao H. (2001), Vulfson, Evgeny N.; Halling, Peter J., eds. (英語), Methods for Measurement and Control of Water in Nonaqueous Biocatalysis doi :10.1385/1-59259-112-4:105 , ISBN 978-1-59259-112-1 , https://doi.org/10.1385/1-59259-112-4:105 2024年2月24日閲覧。 ^ Fontana, Anthony J. (2007-09-25), Barbosa‐Cánovas, Gustavo V.; Fontana, Anthony J., eds. (英語), Appendix A: Water Activity of Saturated Salt Solutions doi :10.1002/9780470376454.app1 , ISBN 978-0-8138-2408-6 , https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470376454.app1 2024年2月24日閲覧。 ^ a b Valivety, Rao H.; J. Halling, Peter; Macrae, Alasdar R. (1992-02). “Reaction rate with suspended lipase catalyst shows similar dependence on water activity in different organic solvents” (英語). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Protein Structure and Molecular Enzymology 1118 (3): 218–222. doi :10.1016/0167-4838(92)90278-L . https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/016748389290278L .
^ 山根恒夫、(1991) "有機溶媒中の酵素の活性に影響する諸因子", Nippon Nogeikagaku Kaishi, 65 (7): 1103-1106.
^ 中西 一弘, 松野 隆一 (1985)「加水分解酵素による有用物合成合成 」『化学と生物』23 (3)、192–199、doi :10.1271/kagakutoseibutsu1962.23.192 、ISSN 0453-073X 。 ^ 石井三 千代 、鈴木えりか、阿保 正伸、T・B．Nielsen・H．P． Heldt−Hansen （1988）、“酵母 Candida antarctica の生産する耐熱性位置非特異的 リパ ーゼ” 醸酵工学、66 (5), 405−421．
^ Anderson, Emily M.; Larsson, Karin M.; Kirk, Ole (1998-01). “One Biocatalyst–Many Applications: The Use of Candida Antarctica B-Lipase in Organic Synthesis” (英語). Biocatalysis and Biotransformation 16 (3): 181–204. doi :10.3109/10242429809003198 . ISSN 1024-2422 . http://www.tandfonline.com/doi/full/10.3109/10242429809003198 . ^ Yasuyuki Isono, Hiroshi Nabetani and Mitutoshi Nakajima (1991) "Lipase-surfactant complex as catalyst of interesterification and esterification in organic media", J. Ferment. Bioeng. , 80 (2), 170-175.
^ a b c Zaks, Aleksey; Klibanov, Alexander M. (1984-06-15). “Enzymatic Catalysis in Organic Media at 100°C” (英語). Science 224 (4654): 1249–1251. doi :10.1126/science.6729453 . ISSN 0036-8075 . https://www.science.org/doi/10.1126/science.6729453 .
^ a b Zaks, A; Klibanov, A M (1985-05). “Enzyme-catalyzed processes in organic solvents.” (英語). Proceedings of the National Academy of Sciences 82 (10): 3192–3196. doi :10.1073/pnas.82.10.3192 . ISSN 0027-8424 . PMC 397741 . PMID 3858815 . https://pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.82.10.3192 .
^ a b Yamane, Tsuneo; Ichiryu, Takayuki; Nagata, Masahiro; Ueno, Asayo; Shimizu, Shoichi (1990-12-05). “Intramolecular esterification by lipase powder in microaqueous benzene: Factors affecting activity of pure enzyme” (英語). Biotechnology and Bioengineering 36 (10): 1063–1069. doi :10.1002/bit.260361012 . ISSN 0006-3592 . https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.260361012 .
^ 山根恒夫、(1993) "有機溶媒中の酵素含有菌体による脂質類の変換反応"、油化学、42 (4):286-296.
^ Susumu Kyotani, Hideki Fukuda, Hisashi Morikawa and Tsuneo Yamane (1988) "Kinetic studies on the interesterification of oils and fats using dried cells of fungus" J. Ferment.Technol. , 66 (1),71-83.
^ Buckland, B. C.; Dunnill, P.; Lilly, M. D. (1975-06). “The enzymatic transformation of water‐insoluble reactants in nonaqueous solvents. Conversion of cholesterol to cholest‐4‐ene‐3‐one by a Ncardia sp.” (英語). Biotechnology and Bioengineering 17 (6): 815–826. doi :10.1002/bit.260170604 . ISSN 0006-3592 . https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.260170604 . ^ Yamané, Tsuneo; Nakatani, Hideki; Sada, Eizo; Omata, Tetsuo; Tanaka, Atsuo; Fukui, Saburo (1979-11). “Steroid bioconversion in water‐insoluble organic solvents: Δ 1 ‐Dehydrogenation by free microbial cells and by cells entrapped in hydrophilic or lipophilic gels” (英語). Biotechnology and Bioengineering 21 (11): 2133–2145. doi :10.1002/bit.260211117 . ISSN 0006-3592 . https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.260211117 . ^ Zaks, A; Klibanov, A M (1985-05). “Enzyme-catalyzed processes in organic solvents.” (英語). Proceedings of the National Academy of Sciences 82 (10): 3192–3196. doi :10.1073/pnas.82.10.3192 . ISSN 0027-8424 . PMC 397741 . PMID 3858815 . https://pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.82.10.3192 . ^ Zaks, Aleksey.; Klibanov, Alexander M. (1986-05). “Substrate specificity of enzymes in organic solvents vs. water is reversed” (英語). Journal of the American Chemical Society 108 (10): 2767–2768. doi :10.1021/ja00270a053 . ISSN 0002-7863 . https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00270a053 . ^ Laane, Colja (1987-01). “Medium-Engineering For Bio-Organic Synthesis” (英語). Biocatalysis 1 (1): 17–22. doi :10.3109/10242428709040127 . ISSN 0886-4454 . https://www.tandfonline.com/doi/full/10.3109/10242428709040127 . ^ Vermue, M. H.; Tramper, J. (1995-01-01). “Biocatalysis in non-conventional media: Medium engineering aspects (Technical Report)” (英語). Pure and Applied Chemistry 67 (2): 345–373. doi :10.1351/pac199567020345 . ISSN 1365-3075 . https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/pac199567020345/html . ^ Yasuko Yoshida, Mitsuo Kawase, Chozo Yamaguchi, Tsuneo Yamane (1997) "Enzymatic synthesis of estolides by a bioreactor" J. Am. Oil Chem. Soc. , 74 (3), 261-267.
^ 京谷 晋、辻村勇夫、福田秀樹 (1995) "微水系における酵素反応方法" 日本特許 JPH0775549B2. 公開：特開平01-063385.
^ 山根恒夫 (1989) "脂質類の酵素的変換とバイオリアクター" バイオサイエンスとインダストリー、47 (1):17-23.
^ 蔵 重 淳 (1995) "食用油脂改質用超微水系バイオリアクター" 油化学、44 : 852-861.
^ 山根恒夫 (1995) "油脂類の酵素的変換とバイオリアクターシステム" 化学と生物, 33 (11):732-739.
