最新の研究: 酵母はよく成長するために何を食べるのでしょうか?答えは「木」でしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

酵母は私たちの生活の中で最も身近な微生物の一つです。パン酵母はパンを蒸したり焼いたりするのに使われ、ビール酵母はビールの醸造に使われます。さらに、メタノールを「食べて」高タンパク質を生産する酵母（ピキア・パストリスなど）や、キシロースを「食べて」野生化する酵母（ハンセヌラ・ポリモルファなど）など、不思議な酵母も数多く存在します。

今後、より多くの機能を備えた新しい酵母が生み出されるのでしょうか?科学者の答えは「もちろんです！」です。

酵母は細胞工場である

科学者がどのようにして新しい酵母を「作り出す」のかを理解する前に、まず酵母がどのように「機能」するかを見てみましょう。

パン酵母もビール酵母も醸造酵母の範疇に属しますが、パン酵母の特徴は「糖を食べてガスを発生させる」ことです。発生した二酸化炭素により、蒸しパンやパンは多孔質になり、柔らかくなります。一方、ビール酵母の特徴は「糖分を食べてアルコールを生成する」ことです。もちろん、他の芳香成分も少量生成され、ワインにさまざまな風味を与えます。

ドライイースト（画像提供：Veer Gallery）

ビール酵母が「ブドウ糖を食べてエタノールを生成する」という例を見てみましょう。酵母を工場、ブドウ糖を原料と考えることができます。原材料は工場（つまり酵母細胞）に輸送され、さまざまな「ワークショップ」で処理され、段階的にエタノールと二酸化炭素の製品に変換されます。

酵母細胞（画像提供：Veer Library）

現在私たちが持っている酵母は多様ですが、多用途で高性能な酵母を手に入れたいと考えています。

より多くの種類の酵母を手に入れたい場合、鍵となるのは「工場」を変革することです。科学研究者が思いついた解決策は遺伝子編集です。酵母工場の設計図（酵母細胞の遺伝子配列）を変更して工場のレイアウトを変換し、新しい設計図に従って「ワークショップ」の数と機能を調整します。

遺伝子編集は、ナビゲーション機能が組み込まれたはさみを使用するのと同じです。人間の設定に応じて酵母染色体の対応する位置のギャップを正確に切断し、ターゲットDNA配列を通じてギャップを修復することで、遺伝子編集の効果を実現します。

遺伝子工学者は遺伝子を人工的に改変する（画像提供：Veer Gallery）

多くの科学者が酵母に関する研究を行っています。例えば、米国科学アカデミー会員のジェイ・キースリング教授のチームは、ビール酵母を改良することで、抗マラリア薬アルテミシニンの原料であるアルテミシニック酸を合成した。これは世界中のマラリア治療に重要な貢献を果たし、酵母が多くのことを可能にすることを証明しました。

酵母：ブドウ糖を摂取して食べる

上記の例で述べた酵母は、酵母の好物であるブドウ糖を「食べて」初めて働き始めます。

しかし、ブドウ糖は主に食物から得られるため、酵母にブドウ糖を与えることは、酵母が食物をめぐって人間と競争することを意味します。餌を減らさずに酵母に「餌を与える」方法はありますか?

科学者たちはそれを検討しているのです。

同国は近年、セルロースをはじめとする非食用バイオマス資源の開発を積極的に推進している。

「リグノセルロース」という用語は聞き慣れないかもしれませんが、木材や作物のわらの主な構造成分である非常に一般的で入手しやすい物質です。それは主に 3 つの重要な要素から構成される複雑かつ多様な「大きな家族」です。

セルロースは、植物細胞壁の主成分であるグルコースから構成される「大きな」多糖類であり、自然界で最も広く分布し、最も豊富に存在する多糖類の 1 つです。ヘミセルロースは、多くの異なる種類の単糖類から構成される「ポリマー」であり、細胞間に強力な繊維状ネットワークを形成し、細胞間の密接なつながりを実現します。リグニンは植物細胞壁の成分の一つで、繊維の「足場」として機能し、セルロース全体の構造を強化します。

リグノセルロースは、幅広い応用の可能性を秘めた貴重な天然再生可能資源です。バイオ発酵や生化学工学の原料として利用できます。

はい、酵母の栄養源になります。

強度があり、生分解性があり、リサイクル可能なリグノセルロース系バイオプラスチック（画像出典：参考文献[5]）

しかし、非常に安定した構造のため、そのまま使用するのは困難です。したがって、セルロースとヘミセルロースを基本的な単糖成分（グルコースやキシロースなど）に分解し、特定の酵母が直接利用できるようにするためには、強酸や強塩基の使用などの特別な処理が必要です。

しかし、これは私たちが食物を完全に放棄して、酵母の培養にセルロースを使用できることを意味するものではありません。主な理由は、セルロースは酵母が使用できるようになる前に単糖類に加水分解される必要があり、加水分解物を調製するコストが依然として比較的高いことです。加水分解物には、主成分であるグルコースとキシロースの他に、酵母の増殖に対して一定の阻害効果を持ついくつかの阻害成分（フルフラール、フランなど）も含まれています。そのため、リグノセルロース加水分解物の微生物発酵への利用は広く行われてこなかった。

一石三鳥

酵母はブドウ糖を「食べる」のが最も好きです。グルコースとキシロースが同時に存在する場合、酵母は最初にグルコースを食べ、グルコースを食べ尽くした後にキシロースを食べます。これにより、酵母はリグノセルロース加水分解物をよりゆっくりと利用できるようになります。

酵母はどのようにしてリグノセルロース加水分解物を効率的に利用できるのでしょうか?

最近、中国科学院の周永進研究員率いる研究チームは、遺伝子工学を通じてハンセヌラ・ポリモルファを改良した。グルコースの消化速度に影響を与えることなく、酵母のキシロースの吸収と消化速度を高め、グルコースとキシロースの同時利用を実現し、Hansenula polymorphaによるリグノセルロース加水分解物の利用効率を向上させ、Hansenula polymorphaを改変して脂肪酸と3-ヒドロキシプロピオン酸を合成しました。

中国科学院は、リグノセルロースのバイオ精製から脂肪酸と3-ヒドロキシプロピオン酸を効率的に合成することに成功した（画像提供：中国科学院の周永金研究員チーム）

油を形成できる脂肪酸と比較すると、3-ヒドロキシプロピオン酸という用語は私たちにとってあまり馴染みがありません。

実際、3-ヒドロキシプロピオン酸は多くの化学物質の原料として使用することができます。例えば、3-ヒドロキシプロピオン酸は、ポリ-3-ヒドロキシプロピオン酸に重合することができる。分解性プラスチックなので、大量に使用すれば「白色公害」を軽減することができます。 3-ヒドロキシプロピオン酸は脱水してアクリル酸を形成することもでき、これはさらにアクリル樹脂に調製することができます。アクリル樹脂は、私たちの生活に深く関わる装飾用コーティング剤や塗料の主成分です。

リグノセルロースを原料として脂肪酸と3-ヒドロキシプロピオン酸を効率的に合成するハンセヌラ・ポリモルファの模式図（画像提供：中国科学院の周勇進研究員チーム）

中国の科学者はセルロースのバイオ精製を通じて脂肪酸と3-ヒドロキシプロピオン酸を生産している。従来のグルコースバイオ精製と比較して、セルロースは非食用バイオマスであるため、「人間との食糧の競合」を回避でき、わらや廃木材の直接燃焼による大気汚染を軽減できます。 「一石三鳥」とも言えます。

結論

酵母細胞工場は科学研究において極めて高い応用価値を示しています。科学者たちは精密な遺伝子編集技術を通じて酵母を改造し、バイオ燃料、ファインケミカル、香料、食品添加物など、一連の高付加価値製品を合成した。しかし、グルコースを原料として利用する従来のバイオ精製は、食料をめぐって人間と競合するというジレンマに直面する可能性がある。このジレンマに対処するため、改変酵母はリグノセルロース加水分解物中のグルコースとキシロースを効果的に利用することができ、同時に国の非食用バイオマス開発の要請にも応えることができる。

実験的研究により、Hansenula polymorpha を操作してグルコースとキシロースから脂肪酸と 3-ヒドロキシプロピオン酸を合成できる可能性が実証され、リグノセルロースのバイオ精製の大きな可能性が示されました。科学界と産業界のたゆまぬ努力により、リグノセルロースは今後さらに多くの製品の生産に広く使用され、我が国の生化学産業の持続可能な発展に強力なサポートを提供することになるでしょう。

参考文献:

[1] Cao X.、Yu W.、Chen Y.、Yang S.、Zhao ZK、Nielsen J.、Luan HW、Zhou YJ ジテルペノイドスクラレオールの高レベル生産のための酵母工学、Metab。 2023年、75、19-28。

[2] Cao CY、Cao X.、Yu W.、Chen YX、Lin XP、Zhu BW、Zhou YJ 酵母の全体的な代謝再配線によりセスキテルペン (+)-バレンセンの過剰生産が可能になる、J. Agric.食品化学、2022、70(23)、7180-7187。

[3] Ye M.、Gao JQ、Zhou YJ 非従来型酵母Ogataea polymorphaのセスキテルペノイドβ-エレメンの生合成における全代謝再配線、Metab。 2023年、76、225-231。

[4] Ro DK、Paradise EM、Ouellet M、Fisher KJ、Newman KL、Ndungu JM、Ho KA、Eachus RA、Ham TS、Kirby J.、Chang M、Withers ST、Shiba Y.、Sarpong R.、Keasling JD「遺伝子組み換え酵母による抗マラリア薬の前駆体アルテミシニック酸の生産」、Nature、2006年、440、940-943。

[5] Xia Q.、Chen CJ、Yao YG、Li JG、He SM、Zhou YB、Li T.、Pan XJ、Yao Y.、Hu LB 強力で生分解性かつリサイクル可能なリグノセルロース系バイオプラスチック、Nat.サステイン、2021、4、627-635。

[6] Gao JQ、Yu W.、Li YX、Jin MJ、Yao L.、Zhou YJ リグノセルロースからの化学的過剰生産のためのグルコースとキシロースの共利用の工学、Nat.化学。 Biol.、2023. (doi:10.1038/s41589-023-01402-6)

[7] Yu W.、Cao X.、Gao JQ、Zhou YJ スーパー酵母シャーシにおける3-ヒドロキシプロピオン酸の過剰生産、Bioresour。テクノロジ、2022、361、127690。