バイオマス分解菌サーモセルロース菌の糖摂取機構

熱セルロース菌はリグノセルロース系バイオマスを効率的に分解する好熱嫌気細菌であり、農林廃棄物バイオマスの転化利用に応用価値がある。最近、中国科学院青島生物エネルギー・プロセス研究所代謝物グループ学研究グループの崔球研究員は体内と体外実験を結合し、熱セルロース菌の中で繊維オリゴ糖とグルコースの摂取を担当する輸送タンパク質とその構造分子メカニズムを明らかにした。

熱セルロース菌は、リグノセルロース中の多糖類を繊維オリゴ糖を主とする可溶性糖類に加水分解する多酵素複合体である繊維小体を分泌することにより、細胞内に取り込んで細胞に炭素源とエネルギーを提供する。

2009年、イスラエルの研究者は熱セルロース菌ゲノムの中で5つの輸送タンパク質遺伝子クラスタを発見し、それらは繊維オリゴ糖、グルコース、昆布二糖の輸送を担当する可能性があると推測したが、明確な機能検証実験が不足していた。熱紡錘菌の遺伝操作は比較的に困難であるため、後続の10年余りの間に国際的にいくつかのグループ学的分析を除いてこれらの輸送タンパク質に関連し、熱紡錘菌の糖類摂取メカニズムを明確に解明することができなかった。

青島エネルギー所代謝物グループ学研究グループは長期にわたって熱繊維菌に対して研究を展開し、熱繊維菌の遺伝操作ボトルネックを突破し、高速な遺伝子標的化システムと正確なゲノム無瘢痕編集システムを含む多種の熱繊維菌に用いることができる遺伝操作ツールを開発し、熱繊維菌の生理と代謝の分子メカニズムを深く研究するために有効な手段を提供した。その上で、研究者はサーモセルロース菌の糖類摂取メカニズムを深く研究した。

この研究では、5つの可能性のあるオリゴ糖輸送タンパク質遺伝子クラスタのノックアウトと補充突然変異株を構築した。成長表現型実験により、輸送タンパク質Bは唯一のフィブリルオリゴ糖輸送タンパク質であり、輸送タンパク質Aは唯一のグルコース輸送タンパク質であることが明らかになった。

等温滴下定量熱（ITC）、核磁気共鳴（NMR）滴定技術とX線結晶回折技術をさらに用いて、輸送タンパク質の基質結合サブユニットと各種糖類の相互作用を測定し、輸送タンパク質AとBが特異的にグルコースと繊維オリゴ糖を結合するメカニズムを構造的に解明した。また、孤立した遺伝子2554がトランスポーターB遺伝子クラスタに欠落したATP酵素サブユニット遺伝子であることを同定し、この唯一のフィブリルオリゴ糖トランスポーターの全成分を補完した。

前期の研究により、サーモセルロース繊維小体の発現は主に特殊なSigma/Anti-sigma因子によって制御されていることが明らかになった。この研究により、輸送蛋白Bのノックアウトは細胞表面の繊維小体突起の顕著な減少を招き、かつ繊維小体発現に対する繊維オリゴ糖の誘導作用が消失し、輸送蛋白Bと繊維小体の発現制御の間にカップリング関係が存在することを表明し、これは繊維小体の発現制御メカニズムの研究に新しい構想を提供した。

糖類輸送タンパク質は工業微生物の代謝工程改造と合成生物学開発の重要な標的であり、工業微生物の糖類摂取メカニズムが重大な潜在応用価値を持つことを明らかにした。サーモセルロース菌は独特な繊維小体系を持つためリグノセルロースの生物転化に潜在的な応用価値があり、同時に特殊なサーモシャーシ細胞として合成生物学開発にも応用可能性がある。本研究は熱セルロース菌のオリゴ糖とグルコース摂取機序を解明し、オリゴ糖摂取と繊維小体の発現制御のカップリング関係を発見し、熱セルロース菌の生理と代謝機序に対する認識を深めた。、

関連成果は微生物学分野の定期刊行物mBioに発表された。研究はイスラエルのヴィッツマン科学研究所、Technion技術研究所と中国科学院天津工業生物技術研究所、および国家自然科学基金委員会、山東エネルギー研究院、中国科学院、青島市などのプロジェクトの支持を得た。

青島エネルギー所が明らかにしたバイオマス分解菌サーモセルロース菌の糖摂取メカニズム