神戸大学先端バイオ工学研究センターの蓮沼誠久教授の研究グループは、高い増殖能を有する海洋性ラン藻Synechococcus sp. PCC 7002に遺伝子導入を施し、光と水とCO2からアスタキサンチン注1)を高生産する技術を開発しました。さらに同グループの独自技術である動的メタボロミクス技術注2)を用いて高生産に至ったメカニズムを解析し、遺伝子導入によるβ-カロテン注3)変換酵素の活性増強が上流の一次代謝注4)を活性化させることを明らかにしました。

 海洋性ラン藻によるアスタキサンチン生産の成功は世界で初めての例であり、従来法に匹敵する生産性を保ちながら、培養期間の短縮や雑菌汚染のリスク低減を実現しました。これは光とCO2からアスタキサンチンを高効率に製造するプロセスの構築に向けて重要な一歩となります。

 本研究成果は、2019年10月25日に国際科学誌「ACS Synthetic Biology」にオンライン掲載されました。 

ポイント

  • アスタキサンチンはその高い抗酸化作用に注目が集まり、ヘルスケア、化粧品産業などでの利用が拡大している色素物質。
  • アスタキサンチンの製造は石油化学プロセスからバイオプロセスへの移行が求められているが、バイオプロセスとして有望視されているHeamatococcus緑藻を用いる手法には、培養の長期間化や雑菌汚染のリスクといった問題がある。
  • 本研究では増殖能が高く、海水で培養可能なラン藻Synechococcus sp. PCC7002に着目し、CO2を唯一の炭素源として、細胞増殖時にストレスを付与せずにアスタキサンチンを生産させることに成功した。
  • 独自の代謝解析により、一次代謝が活性化されていることを明らかにした。

概要

 アスタキサンチンは優れた抗酸化特性により、水産養殖、医薬品、栄養補助食品、化粧品産業で広く使用されています。現在、商業用アスタキサンチンの大部分は石油化学前駆体から合成されていますが、化学合成の過程で生成する副生成物の存在が問題となり、天然アスタキサンチンの市場需要が増加しています。微細藻類の一種であるHaematococcus属緑藻はアスタキサンチンを高蓄積するため、天然アスタキサンチンの供給源として商用化されていますが、細胞の増殖速度が遅いため培養が長期間に渡ることや、ストレスを与えることにより雑菌汚染のリスクが高まることが問題視されていました。

 本研究では、増殖速度が速く、雑菌汚染のリスクが低い海水環境下で生育が可能なラン藻Synechococcus sp. PCC 7002に、海洋細菌由来のβ-カロテン変換酵素遺伝子を導入・発現させることで、アスタキサンチンをCO2のみから生産することに成功しました。またこの手法ではストレスを細胞に付与せずに、短期間でHaematococcusに匹敵する高い生産性を実現しました。

 高生産に至った理由を独自のメタボロミクス技術により調べたところ、一次代謝系に含まれるカルビン回路や非メバロン酸経路が活性化していることが示唆されました。これは光捕集等に関わるβ-カロテンがアスタキサンチンへ変換したため、枯渇したβ-カロテン等の色素を補うために一次代謝系が活性化したのではないかと考えられます。

 本研究により、光合成による天然アスタキサンチンの高効率製造プロセスの構築に向けて重要な一歩を踏み出しました。今後は、代謝経路の最適化等により、さらなるアスタキサンチンの増産を目指すとともに、さまざまな有用物質の生産に展開します。

研究の背景と経緯

 アスタキサンチンは天然の赤色色素であり、植物などに含まれるカロテノイド類の一種です。カロテノイドは食品着色料、食品添加物、化粧品として幅広く利用されていますが、抗酸化活性が高いため、ヘルスケア産業からも注目を集めています。

 アスタキサンチンはカロテノイドの中でも抗酸化能が高く、免疫応答の強化や抗癌作用に関与すると考えられています。従来は養殖および養鶏の飼料用色素・サプリメントとして工業的に用いられてきましたが、今後は栄養補助食品、医薬品、医療用途への展開が期待されています。

 現在、市場のアスタキサンチンは大部分が石油化学由来ですが、抗酸化活性の低い光学異性体の混在や機能未知の副生成物の生成など品質面・環境面の問題から、生物資源を利用した生産技術の開発が望まれています。

 アスタキサンチンを生産する生物資源としては酵母や緑藻が活用されています。なかでも緑藻Haematococcus pluvialisは光合成で増殖し、細胞内に高濃度のアスタキサンチンを蓄積するため、持続可能な環境調和型の生産者として期待されており、アスタキサンチンの製法として、光合成環境下での細胞増殖期とストレス環境下でのアスタキサンチン生産期からなる二段階培養法 (図1) が確立されています。しかしながら、細胞の増殖速度が遅いため培養が長期間に渡ることや、ストレスを与えることにより雑菌汚染のリスクが高まることが課題となっていました。


図1 従来の二段階培養プロセス (上) と本研究の一段階培養プロセス (下)

 そこで本研究は増殖が速く、細胞が高密度化しやすい海洋性ラン藻Synechococcus sp. PCC 7002に着目し、アスタキサンチン生産能を付与することにしました。培養には海水が利用可能であるため、枯渇が問題化している淡水の供給を減らすことや、高塩濃度化による雑菌汚染のリスク低減も期待されます。

 培養の条件としては、環境負荷低減・低コスト化の観点からCO2以外の炭素源(グルコースや酢酸等)を利用しない光合成培養が理想的です。そこで本研究では、高増殖能を有する海洋性ラン藻Synechococcus sp. PCC 7002の光培養によるアスタキサンチン高生産技術の開発を目指しました。

研究の内容

図2 アスタキサンチン生産株の外観

 Synechococcus sp. PCC 7002は元々アスタキサンチンを生産しないため、生産に必要な遺伝子を外から導入し、発現させる必要があります。そこで、海洋細菌由来のβ-カロテン変換酵素 (β-カロテンヒドロキシラーゼおよびβ-カロテンケトラーゼ) 遺伝子を高発現させることにより、アスタキサンチン生産能を付与しました。導入した酵素の変換効率はこれまでに知られていた酵素の中でも高く、元は青緑色の細胞は赤色色素を含むことで深緑色を呈しました (図2)。

 本研究は、海洋性ラン藻でアスタキサンチンを生産できることを世界で初めて報告しました。細胞重量あたりのアスタキサンチン含有率は0.3% (3 mg-astaxanthin/g-dry cell weight)、生産速度は3.35 mg/L/dayに達しました。ラン藻では世界最高の値になります。生産の炭素源はCO2のみであり、なおかつ、細胞増殖時にストレスを付与せずにアスタキサンチンを生産させることができた点がこのシステムの強みになります。

 蓮沼教授らがこれまでの研究で開発した、細胞内に含まれる代謝物質の時間変化を調べる技術「動的メタボミクス技術」を使用してアスタキサンチン生産時の細胞内代謝を解析したところ、3ホスホグリセリン酸やフルクトース6リン酸、セドヘプツロース7リン酸、ホスホエノールピルビン酸のターンオーバー注5)が増加していることが明らかになりました。また、アスタキサンチンの前駆体を供給する代謝経路である非メバロン酸経路の中間代謝化合物デオキシキシルロース5リン酸が高蓄積していることを見出しました。

 この結果はアスタキサンチン生産細胞で一次代謝系が活性化していることを示しています。その理由としては、光捕集等に関わるβ-カロテンがアスタキサンチンへ変換したため、枯渇したβ-カロテン等の色素を補おうとして前駆体の供給を高めていることが考えられます (図3)。


図3 アスタキサンチン生産能の付与により誘導される推定代謝変化

 ラン藻に備わっているβ-カロテンの生合成経路は二次代謝経路注6)といわれており、二次代謝経路の操作が一次代謝に影響を及ぼすことを捉えたのは本研究が初めてです。今後は、一次代謝経路のボトルネック反応注7)を改良することにより、さらなるアスタキサンチンの増産が期待されます。

今後の展開

 本研究は、ラン藻Synechochoccus sp. PCC7002が光合成バイオ生産における有望な宿主であることを示しました。今後はアスタキサンチン以外の様々な有用物質の光合成的生産への展開が期待されます。他方、当該ラン藻の大量培養技術の開発による社会実装も期待されます。また、蓮沼教授らが開発した動的メタボロミクスが代謝制御メカニズムの基礎研究に有用であることが示されたため、今後、ラン藻をはじめ様々な微生物、植物、動物に対象が拡がり代謝の動態が明らかになっていくことが期待されます。

用語解説

  • 注1) アスタキサンチン:
    3,3'位-および4,4'-位にそれぞれヒドロキシ基およびケトン基を持ち、カロテノイド化合物群の中で最も強力な抗酸化能を有する化合物。優れた抗酸化特性により、水産養殖、医薬品、栄養補助食品、化粧品産業で広く使用されている。
  • 注2) 動的メタボローム解析:
    生体細胞の中には1000種類以上の低分子化合物が含まれていると言われている。細胞に含まれる低分子化合物の種類 (および量) に関する情報をメタボロームといい、メタボロームを明らかにする手法をメタボローム解析という。安定同位体を用いて、代謝化合物のターンオーバーを観測するメタボローム解析手法を動的メタボローム解析という。
  • 注3) β-カロテン:
    緑黄色野菜などに豊富に存在する赤橙色の色素。アスタキサンチン生合成の前駆体化合物。β-カロテンヒドロキシラーゼ、β-カロテンケトラーゼの作用により、β-カロテンの3,3'位-および4,4'-位にそれぞれヒドロキシ基およびケトン基を導入することでアスタキサンチンが導入される。
  • 注4) 一次代謝:
    生物の維持、増殖、再生産に必須で生物界に普遍的に存在している糖、タンパク質、脂質、核酸などを生成する代謝。
  • 注5) ターンオーバー:
    生物を構成している生体分子が合成する一方で分解することで新旧の生体分子が入れ替わること。
  • 注6) 二次代謝経路:
    生物共通の生命現象(生育・成長等)に直接関与しないと考えられる物質を生合成する代謝経路。
  • 注7) ボトルネック反応:
    代謝経路の速度を律する酵素反応。英語の「瓶の首」の意味。瓶のサイズがどれほど大きくても、中身の流出量・速度は、狭まった首のみに制約を受けることからの連想による表現。

謝辞

本成果は、主に以下の事業・開発課題によって得られました。

  • 日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究A (JP15H05557)

論文情報

・タイトル
Single-stage astaxanthin production enhances the non-mevalonate pathway and photosynthetic central metabolism in Synechococcus sp. PCC 7002
(日本語タイトル:Synechococcus sp. PCC7002での一段階アスタキサンチン生産は非メバロン酸経路と光合成中枢代謝を強化する)
DOI: 10.1021/acssynbio.9b00280

・著者
Tomohisa Hasunuma, Ayako Takaki, Mami Matsuda, Yuichi Kato, Christopher John Vavricka, Akihiko Kondo

・掲載誌
ACS Synthetic Biology

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