Characterization of the lysine forming saccharopine dehydrogenase LYS1 from filamentous fungi for plant food fermentation

あなたの体を、活気ある都市だと想像してみてください。そして、あなたが食べる食べ物は、その工場へと届けられる原材料です。都市を稼働させ続けるために、これらの工場は「リシン（リジン）」と呼ばれる特定の高性能な部品を組み立てる必要があります。リシンは不可欠な構成要素ですが、体内で自ら作ることはできないため、食事から摂取しなければなりません。植物や細菌にはリシンを作るための独自の設計図がありますが、真菌（キノコ、カビ、酵母を含む王国）は、「α-アミノアデベート経路」というユニークで秘密のトンネルを使用しています。このトンネルの最後には、「LYS1」という名前の熟練したメカニックである酵素が控えています。LYS1を、サッカロピンという名の乱雑で作りかけの分子を掴み、それを完璧な形の形のリシンへと組み立て直す特化したロボットアームだと考えてください。このプロセスは可逆的であり、つまりロボットはリシンを分解することもできますが、通常は環境が整っている時に組み立てることを好みます。

なぜこれがあなたにとって重要なのでしょうか？ それは、私たちが植物性の食品をテンペ、味噌、植物ベースのチーズのような、美味しく栄養価の高い食事へと変えるために、ますます真菌に頼るようになっているからです。これらの食品をより良くするために、科学者たちはこれらの真菌のロボットがどのように機能するかを正確に理解したいと考えています。もし、どの真菌が優れたメカニックであり、どのように振る舞うのかを知ることができれば、食品の栄養価を高めるために発酵プロセスを改良することができます。この論文は、有名な酵母のバージョン（科学者が長年研究してきたもの）と、「糸状菌」（私たちが実際に食品を作るために使用している、毛羽立った糸のようなカビ）に見られるバージョンを比較しながら、LYS1ロボットのメカニズムを深く掘り下げています。

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偉大なる真菌ロボット・レース

この研究の調査員たちは、4つの異なるバージョンのLYS1ロボットアームをテストすることに決めました。彼らは、誰もが知るパン酵母であるSaccharomyces cerevisiaeのクラシックなバージョンを選び、それを食の世界の3つの重量級、すなわちAspergillus nidulans、Penicillium roqueforti（ブルーチーズに風味を与えるカビ）、そしてRhizopus microsporus（テンペを作るカビ）と比較しました。彼らの目的は、これらの食品製造用真菌が、酵母のロボットと同じ「性格」を持っているのか、それとも異なる設計になっているのかを確認することでした。

まず、彼らは設計図（DNA配列）とロボットの3D形状を調べました。すると、これらのロボットは外見上は、同じエンジンブロックを持つ4種類の異なる車のモデルのようにほぼ同一であるものの、内部の配線や塗装は大きく異なることが分かりました。AspergillusとPenicilliumのロボットは、互いに非常によく似た従兄弟のような関係でしたが、Rhizopusのロボットは、少し異なるデザインを持つ遠い親戚でした。こうした違いにもかかわらず、実際に作業を行う重要な部品（触媒残基）は、すべての種において完璧に保存されていました。それはまるで、ダッシュボードのデザインが違っても、4台の車すべてが同じステアリングホイールとペダルを備えているようなものです。

pHという気分計

最も衝撃的な発見は、ロボットの「気分」が、環境の「天気」、具体的にはpHレベル（溶液がどれくらい酸性またはアルカリ性か）にどれほど依存しているかでした。研究者たちは、これらのロボットが方向性に対して非常に神経質であることを発見しました。

科学者たちがロボットにリシンを作らせたい（順反応）とき、ロボットは強い石鹸水のようなアルカリ性の環境においてのみ、うまく機能しました。活性はpH 9でピークに達しました。しかし、もしロボットにリシンを分解させたい（逆反応）場合、ロボットはpH 7付近の中性環境を好みました。それは、晴れた側から押すと簡単に開くドアのようなものです。もし日陰の側から押そうとすれば、ほとんど動きません。

興味深いことに、論文では、条件がリシンを作るのに最適であっても、ロボットは依然としてリシンを分解する方がはるかに速かったと記されています。逆反応は一貫して順反応よりも速いものでした。著者らは、これはバグではなく物理学の特徴であると示唆しています。熱力学の法則により、ゼロからリシンを組み立てることはエネルギー的に「高くつく」ため、ロボットは自然と、より安価な逆方向を好むのです。細胞が効率的にリシンを組み立てるためには、おそらくpHを高く保ち、原材料を素早く流し込むなど、環境を非常に注意深く制御する必要があるのでしょう。

スピード狂 vs スローポーク

チームが各ロボットの作業速度を測定したとき、その結果は「二つの都市の物語」のようになりました。Saccharomyces cerevisiae（酵母）のロボットは、明らかなスピード狂であり、毎秒2.34個というペースで製品を量産していました。AspergillusとPenicilliumのロボットはそれに近く、それぞれ毎秒1.89個および1.63個のペースで働いていました。

しかし、そこにRhizopus microsporusのロボットが現れました。このロボットは完全なスローポーク（のろま）で、毎秒わずか0.05個という、まるで氷河のような遅いペースで動いていました。これは、酵母のバージョンの40倍から50倍も遅い速度です！ 論文は、これがRhizopusのロボットが材料を掴めないせいではなく（実際には材料をしっかりと保持しています）、作業の途中で行き詰まってしまうせいであると示唆しています。それは、パーツは完璧に掴むものの、組み立てるのに苦労して、タスクを完了するのに永遠の時間がかかる作業員のようです。

バーチャル・ムービー：なぜRhizopusはこれほど遅いのか？

なぜRhizopusのロボットがこれほど遅いのかを解明するために、科学者たちは単に試験管の中で観察するだけでなく、コンピュータ・シミュレーションを使用してロボットの「バーチャル・ムービー」を作成しました。彼らはデジタル世界の中で、ロボットがその材料（NAD+とサッカロピン）と踊る様子を観察しました。

彼らは、速いロボット（SaccharomycesとAspergillus）が、非常に上手く完璧なポーズへと「踊り」入ることを発見しました。シミュレーションにおいて、これらのロボットは、化学反応が起こるのにちょうど良い距離（約3.6オングストローム）になるように、頻繁に材料の配置を整えていました。しかし、Rhizopusのロボットは、ぎこちないダンサーでした。それは完璧なポジションを取ることが滅多にありませんでした。たとえポジションを取ったとしても、他のロボットほど材料をしっかりと、あるいは組織的に保持することができませんでした。

シミュレーションは、速いロボットは剛性と安定性に優れ、その形状をよく維持している一方で、Rhizopusのロボットは少し不安定で柔軟すぎることを示しました。この安定性の欠如により、仕事を行うために材料を「スイートスポット」に留めておくことができなかったのです。著者らは、Rhizopusのロボットには、反応部位付近の接触点を乱してしまう特定の置換（アミノ酸の入れ替わり）があるのではないかと示唆しています。これにより、材料を固定することが難しくなっているのです。

まとめ

さて、これはあなたの植物ベースの食品にとって何を意味するのでしょうか？ この研究は、すべての真菌がリシンを作るために同じ基本的な設計図を使用しているものの、それらがすべて平等に作られているわけではないことを裏付けています。テンペ作りで有名なRhizopus真菌は、AspergillusやPenicilliumに見られるバージョンよりも、著しく遅く、リシンを作る効率が低いLYS1ロボットを持っています。

論文は、この遅さがRhizopusの工場ラインにおける「ボトルネック」である可能性があると結論づけています。もし、より高いリシン含有量を持つ植物性食品を作りたいのであれば、Rhizopus以外の選択肢を探すか、その鈍重なロボットをより速く働かせるために環境を調整する方法を見つける必要があるかもしれません。この研究は魔法のような解決策を提示するものではありませんが、なぜ一部の真菌がこの仕事において他のものより優れているのかという明確な地図を提供しており、その違いは、ロボットがいかに完璧な位置に材料を保持して仕事を完遂できるかにあることを示しています。