2011年5月25日
左から佐藤教授、南助教
佐藤文彦 生命科学研究科教授、南博道 石川県立大学生物資源工学研究所助教らの研究グループの成果が、2011年5月24日発行の科学誌「Nature Communications」電子版に掲載されました。
掲載タイトル：A bacterial platform for fermentative production of plant alkaloids
著者：Akira Nakagawa*, Hiromichi Minami*, Ju-Sung Kim*, Takashi Koyanagi*, Takane Katayama*, Fumihiko Sato**, and Hidehiko Kumagai*
*Research Institute for Bioresources and Biotechnology, Ishikawa Prefectural University, Nonoichi-machi, Ishikawa 921-8836, Japan; and **Division of Integrated Life Science, Graduate School of Biostudies, 91视频, Oiwake-cho, Kitashirakawa, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, Japan
研究の概要
高等植物は、その生育に必须な糖、アミノ酸や脂肪酸などの一次代谢产物以外に、二次代谢产物といわれるアルカロイド、イソプレノイド、フェノール性化合物（フェニルプロパノイド、フラボノイド）类の多様な低分子有用化合物を生产します（図1）。これらの二次代谢产物は、香辛料や染料、香料、医薬品等として、様々な形で利用されていますが、その含量が乾燥重量の数パーセント程度と低いものが多く、さらに栽培の困难さや、栽培に长い年月がかかるなどの问题がありました。一方、これらの化合物を工业的に安価に化学合成するには、立体异性の问题等、実用化のための课题が多くありました。
佐藤文彦 生命科学研究科教授と南博道 石川県立大学生物資源工学研究所助教のグループでは、これまでに、植物の有用物質生合成系を微生物細胞内に再構築するとともに、部分的な改変を加えることによりイソキノリンアルカロイド生合成の重要な中間体であるレチクリンをドーパミンから生産する方法を確立しました。（詳細は、本学プレスリリース2008年5月20日「微生物による高等植物アルカロイドの生産」（/ja/news_data/h/h1/2008/news6/080520_1.htm）を参照ください。）
しかし、この方法では、高価な基质（ドーパミン）を添加しなければならず、コスト面において课题が残っていました。今回、京都大学と石川県立大学のグループにより、より安価な出発物质から、植物由来の有用二次代谢产物を合成するための、さらに発展した微生物プラットホームが开発されました。
すなわち、アルカロイド生合成の出発物质であるアミノ酸（チロシン）を高生产させるように改変した大肠菌に、微生物酵素を用いたチロシンからの改変型イソキノリンアルカロイド生合成経路を组み込むことにより、特别な基质の添加を必要としないレチクリン生产システムが确立されました（図2）。具体的には、単纯な炭素源であるグルコースやグリセロールから、微生物発酵法により植物アルカロイドを生产することが可能となりました。これらの成功は、従来困难であった有用イソキノリンアルカロイドの工业的生产の可能性を示すものであり、创薬をはじめとした様々な分野に大きく贡献することが可能です（図3）。また、イソキノリンアルカロイドに限らず、より多様な二次代谢产物の微生物による植物医薬品原料の発酵生产の可能性を示しており（図1）、我が国の生物产业の発展に新たな展开をもたらすものです。
本研究成果は、生研センター、文部科学省科学研究費補助金 [新学術領域研究（20200036）]、日本学術振興会科学研究費補助金 [基盤（A）（21248013）、若手研究B（21780080）] の支援を受けました。
参考図
- 図1 植物の主要二次代谢产物の生合成経路
今回の微生物プラットホームの确立により、緑地で示す化合物の代谢工学の基盘が构筑され、黄色地で示す化合物群の発酵生产の可能性が示された。
- 図2 微生物プラットホームの確立
従来は、ドーパミンを添加し、イソキノリンアルカロイドであるレチクリンを合成していた。今回、チロシン生产系のフィードバックレギュレーション（fbr） を解除するとともに、チロシンから、ドーパミンへの効率的変換系を構築することにより、実用的なアルカロイドの発酵生産系が構築された。
- 図3 イソキノリンアルカロイド生产系の拡大
今回の微生物プラットホーム构筑は、多様なイソキノリンアルカロイド（モルヒネやコデイン、ベルベリン等）の微生物生产の基盘となると期待される。
用语解説
アルカロイド
窒素を含む一群の低分子有机化合物群、モルヒネやベルベリン、アトロピン、キニーネ、カフェイン、ニコチンなどの生理活性物质がふくまれ、有用医薬品としても利用されているものが多い。多くの场合、特有の植物种において、アミノ酸类から生合成される。
代谢工学
代谢系において反応速度を律速する酵素を多く発现させる、あるいは、反応系に新たな経路を付け加える、あるいは、反応系を遮断するなどの改変を行うことにより、代谢系を改変し、目的とする化合物を大量に生产する、あるいは、新たに生产する技术。
微生物プラットホーム
微生物の代谢系を改変し、有用代谢产物を工业的に生产することを可能とした改変微生物。今回の开発では、チロシンの生合成系におけるフィードバックレギュレーションを解除し、グルコースやグリセロールからチロシンを大量に生产するプラットフォーム（代谢基盘）と、チロシンからドーパミンに特异的に変换するための代谢系を导入したプラットフォームが开発され、それに、従来开発されていたドーパミンからレチクリンへの代谢プラットフォームを接続することにより、新たなアルカロイド発酵生产のプラットフォームが构筑された。それぞれのプラットフォームはモジュールとなっており、任意に组み合わせることが可能であり、アルカロイド以外の二次代谢产物合成にも利用できる。
フィードバックレギュレーション
特に、一次代谢系では、最终产物による代谢系の早い段阶の生合成酵素の阻害が起こることが认められている。このように产物による活性阻害のことをフィードパックレギュレーションとよぶ。これらの产物は直接的に反応の基质となるのではなく、间接的に酵素活性を制御することが知られている。现在、これらのフィードバックレギュレーションに関わるアミノ酸配列が解明されるとともに、そのレギュレーションを解除した酵素の単离と利用が可能となりつつある。
関连リンク
- 论文は以下に掲载されております。
- 以下は论文の书誌情报です。
Nakagawa A, Minami H, Kim JS, Koyanagi T, Katayama T, Sato F, Kumagai H.
A bacterial platform for fermentative production of plant alkaloids.
Nature Communications 2, Article number: 326, doi:10.1038/ncomms1327, Published 24 May 2011
- 京都新聞（5月28日 25面）および日刊工業新聞（5月25日 25面）に掲載されました。