Optimization of carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa using sugarcane bagasse hydrolysate as carbon source and mutagen ethyl methanesulfonate for biosynthesis of antioxidant

食料品と医薬品の世界において、自然は単に世界を彩るだけでなく、それを守るための鮮やかな色彩のパレットを提供しています。その中の一つが、ニンジンやトマトなどの多くの植物に含まれるカロテノイドという抗酸化物質のファミリーです。これらの分子は、組織にダメージを与え慢性疾患の原因となり得る有害物質を中和する、生細胞の盾として機能します。数十年にわたり、科学者たちは、季節性に左右されたり土地を大量に必要としたりする農作物の収穫だけに頼らずに、これらの貴重な化合物を生産する方法を模索してきました。その代わりに、彼らは微生物の世界に目を向け、酵母や細菌のような微小な生物を「生きた工場」として利用してきました。これらの微生物に単純な糖類を与え、カロテノイドを大量に生産するように促すことで、食料供給と競合することのない持続可能な代替手段を提供できるのです。しかし、課題は、これらの微生物にとって安価で豊富な餌を見つけ、さらに、自然界の個体よりも一生懸命に働き、より多くの色素を生産するように訓練することにあります。

インドネシアの研究チームは、農業廃棄物を高付加価値製品へと転換することで、この取り組みにおいて大きな一歩を踏み出しました。彼らが注目したのは、サトウキビの搾汁後に残る繊維質の残渣である「バガス（サトウキビ搾りかす）」です。この材料は世界中で毎年数億トンも生産されており、非常に豊富ですが、多くの場合、十分に活用されていません。研究者たちは、バガスがセルロース（酵母が好んで食べるグルコースのような単純な糖へと分解できる複雑な糖）を豊富に含んでいることを知っていました。彼らの目標は、この廃棄物を、カロテノイドを生成することで知られる赤色酵母であるRhodotorula mucilaginosaの成長培地へと変えることでした。プロセスをさらに効率的にするために、彼らは単に天然の酵母を用いるだけでなく、化学的なツールを用いて、元の菌株よりもはるかに多くの色素を生産する「スーパー酵母」の変異体を作り出しました。

旅は、サトウキビ廃棄物の準備から始まりました。研究者たちは乾燥させたバガスを取り、その強固な構造を緩めて分解しやすくするために、穏やかなアルカリ溶液で処理しました。次に、長いセルロース鎖を酵母が生存するために必要なグルコースやキシロースといった単純な糖へと切り分ける「分子のハサミ」の役割を果たす特定の酵素、セルラーゼを加えました。さまざまな化学的濃度のテストを慎重に行った結果、彼らは完璧なレシピを特定しました。それは、0.75モルの水酸化ナトリウムによる処理と、それに続くリットルあたり20グラムの酵素による加水分解です。この組み合わせにより、発酵可能な糖を豊富に含み、リッターあたり約27.34グラムのグルコースと3.59グラムのキシロースを含む液体が得られました。この糖分たっぷりのブロス（培養液）は、高価で精製された糖の代わりに、再生可能で低コストな代替品として、酵母の新しい住処となりました。

餌となる準備が整うと、研究者たちは酵母自体の改良へと意識を向けました。彼らは、天然のRhodotorula mucilaginosaには能力があることは分かっていましたが、その限界を押し広げたいと考えました。そのために、酵母細胞をエチルメチルスルフォネートにさらしました。これは、生物の遺伝暗号に小さなランダムな変化を導入する化学的な突然変異誘発剤です。このプロセスは、酵母の「取扱説明書」のカードをシャッフルするようなものだと考えてください。ほとんどのシャッフルは変化がないか、あるいはダメな手札になりますが、時には、シャッフルによって勝利の組み合わせが生まれることもあります。彼らは様々な濃度の化学物質をテストし、4パーセントの溶液が「スイートスポット（最適値）」であることを突き止めました。それは、細胞の大部分（約97.6パーセント）を死滅させるのに十分な強さであり、有益な遺伝的変化を遂げた少数の生存個体だけを残すのに適した強さでした。

この化学的な試練を生き抜いた生存者の中から、研究者たちはどのコロニーが最も改善されたかを確認するために、7つの異なるコロニーを選別しました。彼らは各コロニーを標準的な栄養ブロスで培養し、どれだけのカロテノイドを生産するかを測定しました。いくつかの変異体が有望な結果を示しましたが、M7と名付けられた一つの菌株が、その一貫性と高い出力において際立っていました。チームがこの変異体を未改変の天然酵母と比較したとき、その差は劇的でした。M7変異体は、乾燥酵母1グラムあたり33.12マイクログラムのカロテノイドを生産し、これは天然株が生産した22.64マイクログラムに対し、1.46倍の増加となります。この向上は、単に細胞内に色素が多くなったということだけではありません。この変異体は、バガスブロス中の糖をカロテノイドへと変換する効率もより高かったのです。消費されたグルコース1グラムにつき、変異体は5.15マイクログラムのカロテノイドを生み出しましたが、天然株が生み出した量はその半分以下でした。

変異体の性能は、生産の全体的な量にも及びました。同じ時間内で、M7株は液体1リットルあたり66.80マイクログラムの総カロテノイド濃度を生成し、天然株が生成した33.51マイクログラムのほぼ2倍に達しました。これは、変異体が天然株の0.23に対して、1リットルあたり毎時0.46マイクログラムのカロテノイドを生成したことを意味し、生産速度が2倍であったことを示しています。数値を超えて、研究者たちは、この変異体がサトウキビの環境により適応していることも観察しました。天然の酵母は新しいブロスに適応して成長を開始するまでに6時間を要しましたが、M7変異体は直ちに増殖を開始しました。これは、遺伝的な変化によって、より回復力があり、準備が整った状態になったことを示唆しています。

最後に、チームは、この生産量の増加が実際に、より強力な抗酸化作用をもたらすかどうかをテストしました。彼らは、抗酸化物質の主要な機能である、フリーラジカルを中和する能力を測定する標準的なテストを用いました。M7変注体の抽出物は、天然株の35.75パーセントよりも高い、46.94パーセントのラジカル消去活性を示しました。しかし、統計分析の結果、この差は決定的な改善と見なせるほど有意なものではありませんでした。これは、変異体が全体としてより多くのカロテノイドを生産した一方で、作成された色素の具体的な混合比率が変化した可能性があることを示唆しています。酵母は、ベータカロテン、トルレン、トルロレジンなど、いくつかの種類のカロテノイドを生成しますが、これらはそれぞれ抗酸化能が異なります。変異体が、この特定のテストにおいて抗酸化力が低いタイプの色素を多く生成したか、あるいは、色素の総量の増加が、このアッセイ（試験）において明確な統計的差異を示すには不十分であった可能性があります。

本研究は、農業廃棄物と遺伝的改良を組み合わせることが、持続可能なカロテノイド生産への実行可能な道であることを結論付けています。バガスを使用することで、研究者たちは、微生物工場を動かすために高価な食品グレードの糖は必要ではないことを証明しました。また、化学的な突然変異誘発を用いることで、天然の酵母株をよりハードに、より効率的に働かせることができることを示しました。最終製品の抗酸化力が、具体的にどのような色素を含んでいるかを理解するためには、さらなる詳細な研究が必要ですが、プロセス自体は有望な枠組みを提供しています。それは廃棄物を価値ある資源へと変え、より生産的な生物を生み出すことで、地球の食料システムに負担をかけることなく、安価かつ持続可能な方法で天然の色素を作ることができる未来へと向かっています。