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微生物による含硫アミノ酸の代謝と外部環境への応答

山崎, 俊介 筑波大学 DOI:10.15068/0002005709

2022.11.28

概要

L-システイン(Cys)はタンパク質の構成成分としてのみならず、スルフヒドリル(SH)基の酸化還元反応による生体成分の代謝など、生理的に重要なアミノ酸である。そのため、医薬・食品・化粧品などの原料として多岐にわたり広い分野で利用されている。昨今の環境負荷への課題意識から、L-Cys の工業生産法としては従来の毛髪や羽毛の酸加水分解による抽出法から微生物によるグルコースからの発酵法への置換が長く望まれていた。L-Cys 発酵の工業化に向けた研究開発が進められる一方で、L-Cys はアミノ酸発酵法の中でも難しい化合物とされ、工業的な発酵製法が確立したのは 2000 年代に入ってからである。細菌の硫黄代謝や L-Cys 代謝、そしてその制御システムにはいまだわかっていないことが多数あり、L-Cys 発酵の技術開発は、こうした生理学的な意義の解明にも大きく貢献してきた。

大腸菌における L-Cys 生合成経路とその制御機構は下記の通りである(図 1)。セリンアセチルトランスフェラーゼ(SAT)に対する L-Cys によるフィードバック阻害[1]、[2] 、転写調節因子 CysB 及び N-アセチルセリンによる硫黄同化経路酵素群の遺伝子発現調節により、野生株の細胞内で Cys が過剰合成されることはない。システインデスルフヒドラーゼ(CD)による分解も菌体内 Cys 濃度の制御において重要な因子である。CD により L-Cys はピルビン酸、アンモニア、S2-へと分解され[3]、過剰な L-Cys の蓄積が抑えられている。これまでに、上術の L-Cys 代謝制御の解除を目的とした菌株の育種が続けられてきたが、従来の製造法をコスト面、スケール面で凌駕するには至らず、生合成系強化と分解系弱化の組み合わせには限界があると考えられた[4]。

さらに、L-Cys の菌体内蓄積を防ぐ育種方針として、細胞膜排出系の強化が挙げられる。例えば、E. coli では YdeD、YfiK および Bcr がすでに報告されている[5]。さらに他の腸内細菌である Pantoea ananatis にも特有な排出系が見いだされるなど[6]、微生物に共通した制御機構であることが推測される。内膜の排出トランスポーターだけでなく、外膜透過に関与する因子を探索した結果、外膜のポーリンである TolC が菌体外へ L-Cys を排出するトランスポーターである可能性が示されている[7]。従来の発想にさらに L-Cys を排出するトランスポーターを過剰発現することにより、グルコースからの直接発酵法が実用化の一途を辿っている[8]、[9]。

ところが最近になり、YdeD が L-Cys のトランスポーターだけでなく、ペリプラズム空間における活性酸素種(ROS)によるストレスを緩和する機能も有することが報告された[10]。さらに、 L-Cys 排出担体のみならずL-Cys の酸化二量体であるシスチン(CySS)インポーター(FliY-YecSC、 YdjN)が協調的に働き「L-Cys/L-CySS シャトルシステム」(図 2)として ROS がもたらすタンパク質や細胞膜脂質の酸化を防ぐことが示されている[11]。

本研究では、L-Cys 生産の菌株育種開発への利用を目的に、物質生産において重要となる代謝制御、特に物質輸送に関与する因子の探索を行った。さらに E. coli におけるストレス応答機構など L-Cys に関連する物質の生理機能の理解を目標として遺伝子解析などを行った。

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参考文献

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