Expanding the flavonoid production in Acinetobacter baylyi ADP1 from lignin-derived aromatics

植物は熟練した化学者であり、太陽から身を守り、感染症と戦い、自らに色彩を与える複雑な分子を絶えず作り出しています。これらの化学的創造物の中には、果物、野菜、花に含まれる多様な化合物の一族であるフラボノイドがあります。人類は古くから、食品、医薬品、化粧品に使用するために、これらの物質が持つ潜在的な健康効果を高く評価してきました。数十年にわたり、フラボノイドを得る主な方法は、植物から抽出するか、実験室でゼロから合成することでした。どちらの方法も大きな欠点があります。作物から抽出する方法はしばしば非効率的で季節に左右され、化学合成はコストがかかり環境への負荷も大きくなります。

近年、科学者たちは「微生物」と呼ばれる極小の生きた工場に目を向けています。植物の遺伝子を細菌や酵母に挿入することで、研究者はこれらの細胞に特定のフラボノイドを製造するようにプログラムすることができます。しかし、これらの微生物工場の多くは、グルコースのような単純な糖類を餌としています。糖をフラボノイドに変えるためには、微生物はまず、多くの遺伝的ステップを必要とし、細胞のエネルギーを大量に消費する、複雑な芳香環構造をゼロから構築しなければなりません。これはプロセスを長く、制御を困難なものにします。より直接的なアプローチは、微生物に、初期の構築段階を回避するために必要な芳香族の構成要素を直接与えることです。自然界は、木材の剛性を与える強固で木質なポリマーであるリグニンの中に、これらのブロックを豊富に備えています。木材を分解すると、植物がフラボノイドを作る際に使用する前駆体と化学的に非常によく似た芳香族化合物が放出されます。課題は、これらの強固な芳香族化合物を食べることができ、かつ木材を分解する際の過酷な条件にも耐えられ、さらに生産のためにエンジニアリング（改変）が容易な微生物を見つけることでした。

フィンランドのタンペレ大学の研究チームは、Acinetobacter baylyi ADP1と呼ばれる細菌を用いることで、この課題を解決することに成功しました。研究でよく使われる一般的なラボ用細菌とは異なり、この生物は、木材に含まれる多様な芳香族化合物を消費する能力を天然で備えています。研究者たちは、この天然の能力を利用して、リグニン由来の材料を直接価値あるフラボノイドへと変えられるかどうかを検証することにしました。彼らの目標は、新しい製品を作るたびに細菌の遺伝子コードを書き換えることなく、提供する木材由来の「餌」の種類を変えるだけで、異なる種類のフラボノイドを生産できる単一の微生物プラットフォームを作ることでした。

チームはまず、この細菌に、食品や医薬品によく使われる特定のフラボノイドであるホモエリオジクチオールを生成させることができるかどうかをテストしました。この分子は通常、フェルラ酸と呼ばれる前駆体から作られます。研究者たちはまず、細菌が既存の酵素をフェルラ酸を受け入れられるように微調整し、細胞がこの新しい材料を処理できるように小さな遺伝子的調整を行うことを試みました。彼らはフラボノイド構造を構築する責任を持つ特定の部位の酵素を改変しましたが、この変更はうまくいかず、細菌は目的の分子を生成できませんでした。軽微な微調整では不十分であると悟った研究者たちは、戦略を転換しました。既存の酵素を修正するのではなく、フェルラ酸を扱うことが天然で可能な、別の植物種由来の異なるバージョンの酵素を探したのです。彼らは、Stenoloma chusanum という植物の中に適合するものを見つけました。元の細菌の酵素をこの新しい植物の酵素と入れ替えたところ、細菌は即座にホモエリオクチオールを生成し始めました。この発見は、重要な原理を浮き彫りにしました。すなわち、既存の道具に新しい仕事を無理にさせるのではなく、すでにそのために設計された道具を見つけることこそが、最も効果的な解決策である場合があるということです。

この新しい酵素の組み合わせを用いて、研究者たちは生産を最大化するために栽培条件を最適化しました。彼らは、前駆体を適量与え、特定の温度で培養したときに細菌が最も高いパフォーマンスを示すことを見出しました。これらの条件下で、細菌はフラスコ内で1リットルあたり3.7ミリグラムのホモエリオジクチオールを生成しました。しかし、チームはそこで止まりませんでした。彼らは、この同じセットアップで他のフラボノイドも生産できるかどうかを望みました。彼らは、別の芳香族化合物であるカフェ酸を培養液に導入しました。驚くべきことに、全く同じ細菌株が、全く同じ遺伝的セットアップのまま、ギアを切り替え、エリオジクチオールと呼ばれる別のフラボノイドの生産を開始したのです。この場合、細菌は1リットルあたり24.2ミリグラムを生成し、これは以前よりも大幅に高い数値でした。これは、細菌の出力が、与えられた「食べ物」によって完全に決定されることを示していました。フェルラ酸を与えれば一つの製品ができ、カフェ酸を与えれば別の製品ができるのです。

より現実的な条件下でシステムをテストするため、研究者たちは細菌を、工業規模の発酵に使用される大型容器であるバイオリアクターへと移しました。彼らは、フェルラ酸、カフェ酸、p-クマル酸という、木材に含まれる3種類の芳香族化合物の混合物を細菌に与えました。細菌はこの「混合スープ」を、3種類の異なるフラボノイドのカクテルへと見事に変換しました。異なる経路が資源を奪い合うため、総製品量は単一の成分を与えた場合よりも低くなりましたが、この結果は、システムが複雑な混合物を扱えることを証明しました。これは、現実世界の木材廃棄物が純粋な単一の化学物質ではなく、複雑なブレンドであるため、非常に重要なステップです。

最後に、チームはこのシステムを実際の産業副産物を用いてテストしました。彼らは小麦わらと、オーガノソルブリグニンと呼ばれる種類の加工木材を取り出し、化学プロセスでこれらを分解して、得られた液体を回収しました。この液体は「アルカリ前処理液」と呼ばれ、天然の芳香族化合物を含んでいますが、同時にほとんどの細菌にとって毒となる多くの不純物も含まれています。研究者たちは、この複雑な液体を細菌の培養液に加えました。この乱雑で困難な環境にもかかわらず、細菌は旺盛に成長し、フラボノイドを生産しました。彼らは小麦わらやリグニン液に含まれる化合物を見事に標的分子へと変換し、このシステムが、ラボ内の純粋な化学物質だけでなく、林業や農業分野で発生する実際の廃棄物ストリームにおいても機能することを証明しました。

本研究は、Acinetobacter baylyi ADP1が、持続可能な製造のための非常に多才なプラットフォームであることを結論付けています。芳香族化合物を食べるという細菌の天然の能力を活用することで、研究者たちは細菌がこれらの構造をゼロから構築する必要性を回避しました。このアプローチにより、最終製品が原料によって決まる、柔軟な生産システムが可能になります。もし工場に特定の木材由来の化学物質が余っていれば、特定のフラボノイドを作るためにそれを与えることができ、供給が変われば、同じ細菌に別の化学物質を与えて別の製品を作らせることができます。これにはさらなる遺伝子工学的な改変は必要ありません。この研究は、燃料として燃やされることが多いリグニンの有効利用と、高付加価値の天然物の生産との間に直接的なつながりを確立しており、より循環型で効率的なバイオエコノミーへの有望な道を示しています。