Glucose-xylose co-utilization and lactate production with engineered thermophilic Parageobacillus thermoglucosidasius
本研究は、好熱性細菌である*Parageobacillus thermoglucosidasius*において、*ptsG*および*rbsR*遺伝子のリバースエンジニアリングとキシロース代謝オペロンの合理的過剰発現を組み合わせることが、炭素源異化代謝産物抑制を効果的に克服し、効率的なグルコースとキシロースの共利用を可能にするとともに、バイオリアクターにおける乳酸生成量を著しく向上させることを実証している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
トウモロコシやサトウキビのような農作物ではなく、植物の強靭で繊維質な廃棄物、すなわち小麦の茎や米の籾殻、そして伐採後に残された木材チップから工場の燃料が得られる世界を想像してみてください。リグノセルロースとして知られるこの材料は豊富に存在し、食料供給と競合しないため、持続可能なプラスチックや化学物質を作り出すための理想的な資源です。しかし、この硬い植物質を有用な製品へと変えることは困難です。科学者がこれらの繊維を分解すると、グルコースとキシロースという2つの主要な糖の混合物が放出されます。多くの微生物はグルコースを容易に摂取できますが、キシロースは無視しがちであり、2番目の糖に着手する前にグルコースが使い果たされるのを待つ傾向があります。この「待ち時間」が生産を遅らせ、時間を無駄にします。これを解決するために、研究者たちは、植物繊維の分解が最も効率的に進む高温環境で繁殖できる、両方の糖を同時に摂取できる微生物を探しています。
ある研究チームは、この「食べる好みの偏り」を克服するために、熱を好む細菌であるParageobacillus thermoglucosidasiusを設計することに着手しました。この微生物は、植物繊維の分解に必要な熱に対応する60度から65度の温度で最もよく成長するため、工業利用の強力な候補となっています。科学者たちは、細胞の内部命令を書き換え、グルコースとキシロースを順番にではなく、同時に消費するようにしたいと考えました。彼らはまず、強制的に両方の糖を食べさせられた際に、自然に進化して両方の糖を摂取できるようになった過去の実験に着目しました。その進化した細菌における遺伝的変化を研究することで、チームは新しい行動の原因と思われる2つの特定の変異を特定しました。一方の変異は、細胞がグルコースを掴むのを助けるタンパク質を変化させるものであり、もう一方は、他の糖のためのトランスポーターを作るのを通常阻止している遺伝的な「ブレーキ」を取り除くものでした。
研究者たちは、これらの正確な変化を標準的なバージョンの細菌に組み込み、改善された挙動を再現できるか検証しました。彼らは、変化させたグルコース捕捉タンパク質を持つもの、取り除いたブレーキを持つもの、そして両方の変化を組み合わせたものの3つの新しい菌株を作成しました。また、別の手法として、他の糖が存在するかどうかにかかわらず、キシロロースを摂取するために必要な機構を常に生成するように細菌に強制する方法も試みました。これらの新しい菌株を制御された環境下でテストした結果、遺伝的変化は機能しているものの、その仕組みは異なっていることが示されました。変化させたグルコースタンパク質を持つ菌株は、両方の糖を同程度の速度で摂取しました。ブレーキを取り除いた菌株も同様に両方の糖を同時に摂取しましたが、全体的な成長速度は低下していました。両方の変化を組み合わせた菌株は驚くべき挙動を示し、通常の摂取順序を完全に逆転させて、グルコースよりもキシロースを好むようになりました。
なぜこのような変化が起きたのかを理解するために、チームは細胞の内部を観察し、どのようなタンパク質が作られているかを確認しました。その結果、変異によって細菌がキシロースを食べるための遺伝子の抑制を停止し、グルコースが存在する間でも、それを消費するための道具を細胞が生産できるようになったことが分かりました。ブレーキを取り除いた菌株では、グルコースを掴むためのタンパク質が大幅に減少しており、これがグルコースの摂取速度を遅らせることで、キシロースを同時に摂取することを可能にしたと考えられます。研究者たちはまた、これら細菌が混合糖から生分解性プラスチックの原料となる乳酸をどれだけ生産できるかをテストしました。設計された菌株は、元の未改変の細菌よりも優れた性能を示しました。ブレーキを取り除いた菌株は、消費した糖に対する乳酸の収率が最も高く、元の菌株の56.76パーセントに対し、72.76パーセントに達しました。また、キシロースを食べる機構を常に生成するように強制された別の菌株も、63パーセントの収率という強い結果を示しました。
この研究は、単に細菌にキシロースを食べる道具をより多く作らせることが助けにはなるものの、両方の糖を同時に食べさせるための最も効果的な方法は、細菌がグルコースをどのように感知し、消費するかを変更することであると示唆しています。好ましい糖の摂取を遅らせることで、細菌はより早く2番目の糖にアクセスすることができたのです。このアプローチにより、チームは植物廃棄物に対してより効率的に働く微生物工場を作り出すことができました。今回の知見は、細菌の遺伝コードに小さく特定の変更を加えることで、植物由来の原料の潜在能力を最大限に引き出し、細菌特有の自然な摂食習慣による長い遅延なしに、複雑な糖の混合物を価値ある製品へと変えられることを示しています。この研究は、未来の材料を構築するために再生可能な資源をどのように活用すべきかについて、明確な道筋を示すものです。
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