Carbon-Convergent Co-utilization of Ethanol and CO2 Enables Efficient 3-Hydroxypropionic Acid Biosynthesis in Komagataella phaffii
本研究は、エタノールとCO2を共利用して127.04 g/Lという記録的な3-ヒドロキシプロピオン酸タイターを達成する、エンジニアリングされた*Komagataella phaffii*におけるカーボンコンバージェント戦略を確立し、化学的なCO2還元と微生物バイオシンセシススの結合の実現可能性を実証した。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
有用な化学物質を「空気中から」作り出すという探求は、持続可能な産業における長年の聖杯となってきました。二酸化炭素は地球上で最も豊富な炭素源ですが、化学的には非常に頑固です。その原子は高度に酸化された状態にあり、エネルギーと電子のほとんどを失っています。この不活性なガスを、燃料やプラスチックのような複雑でエネルギーに富む分子に変えるには、自然界または機械が、膨大なエネルギーと還元力（新しい結合を構築するために必要な電子）を供給しなければなりません。化学工場はこの変換を熱と圧力によって強制することができますが、効率性と選択性の面で苦戦することがよくあります。一方、生物学的システムは精密な構造を構築できる熟練した化学者ですが、通常、糖のような豊かで還元された栄養源を必要とします。課題は、この二つの世界を橋渡しすることにあります。つまり、微生物に二酸化炭素由来の単純で還元された中間体を餌として与え、高価な糖を必要とせずに、細胞が価値ある製品を完成させる仕組みを見つけることです。
ウエストレイク大学と浙江大学の研究者たちは、エタノールを「架け橋」として用いることで、この問題に対する巧妙な解決策を見出しました。彼らは一般的な酵母であるKomagataella phaffiiを遺伝子操作し、エタノールと二酸化炭素を同時に摂取して、生分解性プラスチックからアクリル繊維まであらゆるものに使われる多用途な化学物質である3-ヒドロキシプロピオン酸へと変換させることに成功しました。研究チームは、エタノールがこの任務における完璧な「ネクサス分子（結節点となる分子）」であることを発見しました。他の潜在的な中間体とは異なり、エタノールは2つの炭素原子と十分なエネルギーを保持しています。酵母がエタノールを消費すると、それはアセチルCoAと呼ばれる2炭素ユニットへと分解され、これが新しい化学物質のバックボーン（骨格）となります。極めて重要なのは、この分解プロセスによって、細胞が空気中から3番目の炭素原子を捕らえてバックボーンに結合させるために必要なエネルギーと電子が生成されることです。これにより、酵母がエタノールの2つの炭素と空気中の1つの炭素を組み合わせて3炭素の製品を作り上げるという、合理的な「2＋1＝3」の経路が構築されます。
これを実現するために、科学者たちは酵母の内部代謝を再設計する必要がありました。まず、どの酵母株がエタノールを唯一の栄養源として最も上手く扱えるかを確認するために、6種類の異なる酵母株のテストを行いました。その結果、Komagataella phaffii GS111株が最も堅牢であり、毒性のある副産物に阻害されることなく、エタノールを迅速に消費して細胞塊へと変換できることが分かりました。しかし、単に酵母にエタノールを与えるだけでは、目標とする化学物質を高レベルで生産するには不十分でした。研究者たちは、エタノールの分解産物を最終製品に必要な構成要素へと変えるステップにおいて、酢酸を活性化する細胞の能力にボトルネックがあることを特定しました。彼らは、アセチルCoA合成酵素をより効率的に機能させるよう設計することで、この問題を解決しました。コンピュータモデリングと実験室でのテストを組み合わせることで、酢体（アセテート）をより速く処理でき、生産を停滞させる原因となる中間化学物質の蓄積を防ぐことができる、変異させた酵素を作り出したのです。
エンジンを調整した後、チームは二酸化炭素を捕捉するための遺伝的機構を導入しました。彼らは、空気中から炭素原子を掴み取り、エタノール由来の2炭素バックボオンにパチンとはめ込む「分子クランプ」のように機能する酵素を追加しました。また、エネルギーキャリアの供給バランスを整え、望ましい製品から資源を逸らしてしまう可能性のある競合経路を除去しました。その結果、LT-28と名付けられた高度に最適化された菌株が誕生し、制御された発酵槽内でテストされました。この環境下で、酵母はエタノールと二酸化炭素を消費して、液体1リットルあたり127.04グラムの3-ヒドロキシプロピオン酸を生成しました。これは、微生物がゼロからこの化学物質を作り出す記録としては過去最高であり、糖やグリセロールに依存していたこれまでの試みを上回る数値です。最終生成物の炭素原子が正確にどこから来たのかを証明するために、研究者たちは重同位体を用いた手法を用いました。彼らは、重い炭素を含むエタノールと、重い炭素を含む二酸化炭能を、単独で、あるいは同時に酵母に与えました。その結果、最終的な化学物質は確かにハイブリッドであり、2つの炭素がエタノールから、1つの炭素が二酸化炭素から来ていることが示され、「2＋1」の戦略が設計通りに機能したことが確認されました。
この手法の究実的なテストは、それが現実世界の産業廃棄物に対して機能するかどうかを確認することでした。研究者たちは、二酸化炭素をエタノールに変換する化学反応器をバイオリアクターに直接接続しました。エタノールをまず精製するのではなく、エタノールとその他の副産物を含む未精製の液状ストリームをそのまま酵母に供給しました。設計された菌株はこの混合物をうまく扱い、高い効率でエタノールを目標の化学物質へと変換しました。これは、二酸化炭素がまず触媒によって液体の燃料中間体に変換され、その後、生物学的な力によって高価値の化学物質へとアップグレードされるという、エンド・ツー・エンドの完全なプロセスを実証しました。この統合システムの経済分析によれば、この手法は財務的に実行可能であり、化学製造のカーボンフットプリントを大幅に削減できる可能性があります。再生可能エネルギーを用いて初期の変換を駆動し、複雑な組み立てを生物学に頼ることで、この手法は、化石燃料からではなく、私たちが吸う空気から工業用化学物質が作られる未来への道筋を提示しています。
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