Enhanced production of cis-13,16-docosadienoic acid in Yarrowia lipolytica via systematic metabolic engineering
本研究では、前駆体の供給および伸長経路を最適化することにより、*Yarrowia lipolytica*におけるcis-13,16-ドコサジエン酸（DDA）の生産を系統的に強化し、その結果、5.34 mg/Lという記録的なDDAタイターを達成した菌株（YL-11）を得た。
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単細胞真菌の微小な世界の中で、自然界は、砂糖のような単純な材料から複雑な分子を組み立てることができる精巧な工場を築き上げてきました。これらの分子の中には、人間の健康と自然界の両方において重要な役割を果たす、油や脂肪の構成要素である脂肪酸があります。これらの脂肪酸の中でも、多価不飽和脂肪酸として知られるものの中には、人間が自力で作ることができないため、食事から摂取しなければならない非常に価値の高いものがあります。そのような分子の一つである、二十二個の炭素鎖を持つシス-13,16-ドコサジエン酸が、最近、科学者たちの注目を集めています。研究によれば、この特定の脂肪は、特定の癌細胞の増殖を遅らせ、炎症と戦う能力を含む強力な特性を持っていることが示唆されています。これまで、この物質を入手することは困難な作業でした。それは希少な冬の植物の種子の中にのみ自然に存在しますが、その植物は成長が遅く、大量に栽培することが困難です。実験室でこれを作成するための化学的手法も同様に難しく、複雑な工程と高いコストを伴います。これにより、研究者たちはより良い生産方法を模索することとなり、油を蓄積する能力で知られる強靭な微生物である酵母「ヤロウィア・リポリティカ（Yarrowia lipolytica）」に目を向けました。
課題は、この酵母に、本来は自然には作らない分子を作らせるように説得することにあります。この酵母は、前駆体と呼ばれるリノール酸を作ることはすでに得意としていますが、その前駆体を、最終生成物に必要な、より長く複雑な鎖へと引き延ばすための特定の道具が不足しています。これを解決するために、湖南農業大学およびその他の機関の研究チームは、この酵母を一つの生物学的なワークショップ（作業場）のように扱い、仕事を完成させるために必要な遺伝的な道具を体系的に追加し、調整しました。彼らはまず、ワークショップに十分な量の原材料が供給されるようにすることから始めました。他の生物から、専門の変換器として機能する遺伝子を導入することで、酵母細胞内のリノール酸の量を増やすことに成功しました。このステップは、原材料の不足が生産ライン全体のボトルネックとなることが多いため、極めて重要でした。
原材料の供給が確保されると、チームは組立ラインへと注意を向けました。前駆体を最終製品へと変換するには、二段階の引き延ばしプロセスが必要です。研究者たちは、この引き延ばしを担当する酵素の異なるバージョンをテストしました。これは、どの道具が仕事に最も適しているかを確認するために、さまざまな道具を試してみるようなものです。彼らは、一つの特定の酵素の組み合わせが他のものよりも著しく優れており、脂肪酸の鎖をうまく延長できることを見出しました。しかし、プロセスはまだ十分に効率的ではありませんでした。酵母は鎖の中間段階までは生成していましたが、最後までやり遂げることに苦戦していました。これを修正するために、研究者たちは「酵素融合」と呼ばれる手法を試みました。これは、二つの必要な酵素を物理的に結合させることで、それらの間の物質の移動をよりスムーズにすることを目的としたものです。驚いたことに、このアプローチは期待通りには機能しませんでした。結合された酵素同士が互いの邪魔をしているようで、最終生成物の生産は向上しませんでした。この結果は、単に道具をくっつければ必ずしも性能が上がるとは限らず、時には接続よりも配置の方が重要であることをチームに教えました。
挫折することなく、研究者たちは戦略を転換し、これらの酵素を動かす「指示書」の力に焦点を当てました。彼らは、引き延ばしのプロセスを担当する遺伝子のコピー数を増やし、これらの遺伝子がどれほど強くオンになるかを制御するために、プロモーターとして知られる異なる遺伝子のスイッチをテストしました。直感に反する発見ではありましたが、彼らは弱いスイッチの方が強いスイッチよりも良い結果をもたらすことを発見しました。これは、生きている細胞という複雑な環境においては、ある領域での過剰な活動がシステム全体のバランスを崩してしまうことがあることを示唆しています。遺伝子の発現を慎重に調整することで、彼らは前駆体を目的の脂肪酸へと、以前よりもはるかに効果的に変換できる酵母株を作り出すことができました。
チームはまた、別の角度からも検討を行いました。それは、酵母が作ったものを分解してしまうのを防ぐことです。彼らは、脂肪酸を自然に分解する細胞内の掃除プロセスを担当する遺伝子を取り除きました。これにより、貴重な生成物が蓄積されることを期待したのです。しかし、この変更は、酵母が全体としてより多くの油を貯蔵するという結果をもたらした一方で、壊滅的な副作用を引き起こしました。目的の脂肪酸が完全に消失してしまったのです。掃除システムの破壊は、細胞の代謝をあまりにも深刻に混乱させ、標的となる分子を合成できなくさせてしまいました。これにより、その特定の戦略は却下され、生きている生物を設計する際には繊細なバランスが必要であることが浮き彫りになりました。
こうした試行錯誤と改良のプロセスを経て、研究者たちは、複雑な工業用発酵装置を使用することなく、実験室の設定で記録された最高量のこの貴重な脂肪酸を生成する酵母株の設計に成功しました。単純な振盪フラスコ培養において、設計された酵母はリットルあたり5.34ミリグラムの濃度に達し、標的分子は細胞内の全脂肪の0.47パーセントを占めました。この成果は、微生物の代謝経路を体系的に理解し調整することで、科学者が、以前は入手が困難であった複雑で高価値な物質を生成するように促すことができることを証明しています。この研究は、将来的な生産スケールアップへの取り組みの基礎を築くものであり、医学や栄養学において大きな可能性を秘めた分子の、持続可能でアクセシブルな供給源となることを期待させています。
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