Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

日光は海洋生命を動かすエンジンですが、微細藻類として知られる極めて小さな単細胞植物にとって、良すぎることは問題となることがあります。これらの微生物は、光エネルギーを捕らえて食物や成長へと変換するために、クロロフィルと呼ばれる緑色の色素に依存しています。しかし、これらの細胞が大きなタンクの中で密集して成長すると、その高い濃度の緑色色素が障壁を作り出します。外側の細胞がほとんどすべての光を吸収してしまうため、深い影を落とし、真ん中にある細胞を飢餓状態に陥らせるのです。この現象はしばしば「シャドー効果（影の効果）」と呼ばれ、培養物全体のバイオマス生産量を制限し、燃料やその他の製品のためにこれらの生物を大規模かつ効率的に栽培することを困難にしています。

科学者たちは、これほど多くのクロロフィルを必要とせずに生存できる微細藻類の株を見つける、あるいは作り出すことで、この限界を回避する方法を長年模索してきました。もし、より少ない緑色の色素で成長できる株があれば、光が培養物のより深くへと浸透することを可能にし、より多くの細胞を同時に成長させ、総収穫量を増やすことができるでしょう。ギリシャのクレタ技術大学の研究チームは最近、スティココックス（Stichococcus）と呼ばれる特定の棒状の微細藻類を用いて、この課題に取り組みました。彼らは、野生の個体よりも自然にクロロフィルが少なく、かつ、より速く成長し、オイルや糖などのより価値のある化学物質を生産するバージョンの生物を作り出すことを目指しました。

これを達成するために、研究者たちは化学的突然変異法を用いました。彼らは、野生のスティココックスの培養物に、生物の遺伝コードに対してランダムな変化をもたらす「エチルメタンスルホネート」という化学物質を曝露しました。このプロセスは、細胞のDNAに小さく予測不可能な変化を導入するものです。目的は特定の変化を設計することではなく、幅広いランダムな突然変異を発生させ、その中から、たまたまクロロフィルが少なくなった個体を選別することでした。チームは、全個体を死滅させることなく新しい形質の発現を促すためのストレスレベルとして、化学物質の濃度を慎重に調整し、生存率が約5パーセントになるように設定しました。

化学処理の後、研究者たちは生存した細胞を固形のアガー（寒天）皿に播種し、目に見えるコロニーへと成長するのを待ちました。彼らは、元の野生株の深い緑色よりも色が薄いように見えるコロニーを探しました。その中から、最も色が薄かった2つの特定の株を選び、EMS1およびEMS2と命名しました。これらの色が薄い状態が、単なる一時的な反応ではなく永続的な遺伝的変化であることを確認するため、チームはこれらの株を海水中で3世代にわたって培養しました。その後、これらの新しい変異株のパフォーマンスを、同一条件下で元の野生株と比較し、生成されたバイオマス、含有されたクロロフィル、そして蓄積されたオイルと炭水化物の量を測定しました。

結果は、変異株の明確な優位性を示しました。最も優れた成績を収めたのはEMS1株であり、野生型よりも大幅に速く成長し、より多くの総バイオマスを生産しました。2週間の実験終了時までに、EMS1の培養液はリットルあたり2.47グラムの密度に達しましたが、野生型は2.20グラムにとどまりました。より重要なことに、EMS1株は有意に少ないクロロフィルを含んでいました。野生型は約11ミリグラムのクロロフィルを乾燥バイオマス1グラムあたり保持していましたが、EMS1変異株は約6.29ミリグラムしか保持していませんでした。この色素の減少は、変異が光を捉える生物の能力を変化させたことを裏付けており、光の浸透が制限される高密度な培養において、より効率的に成長できる可能性を示唆しています。

単に成長が速く、緑色の色素が少ないだけでなく、この変異株は価値のある工業材料の生産においても有望であることを示しました。研究者たちは、EMS1株が、バイオ燃料に変換可能な脂質（脂肪）と、他の化学製品に使用できる炭水化物をより多く蓄積していることを発見しました。EMS1株の脂質含有量は乾燥重量の21パーセントに達し、野生型の15パーセントと比較して増加しました。同様に、炭水化物含有量も、元の株の28パーセントから、乾燥重量の44パーセントへと増加しました。細胞内のタンパク質量はすべてのグループでほぼ一定であったことから、この変異が細胞の基本的な構造成分を犠牲にすることなく、エネルギー貯蔵化合物の生産を特異的に促進したことが示されました。

本研究は、この化学的突然変異プロセスが、大規模生産のための微細藻類株を改良するための実行可能な手法であることを結論付けています。より低いクロロフィル含有量と、より高いバイオマスおよび価値ある化学物質の収量を備えたEMS1株は、大きな前進を意味します。研究者たちは、将来の実験において、藻類が自由に浮遊するのではなく固形表面で成長するシステムである「バイオフィルム光生物リアクター」において、この特定の株を使用することを計画しています。光が培養物のより深くへと伝わる性質を持つ株を用いることで、彼らは産業煙から二酸化炭素を回収し、それを高価値の製品へとより効率的に変換し、栽培コストを抑えながら廃棄ガスを資源に変えることを目指しています。