理研、転写因子「NtcA」によりラン藻の増殖促進と代謝改変に成功

転写因子「NtcA」により、ラン藻の増殖促進と代謝改変に成功
−糖やアミノ酸などの有用物質生産の技術構築を目指す−


＜ポイント＞
　・NtcAの量の増加によりラン藻の増殖が促進
　・NtcAの量の増加により糖やアミノ酸の量が変化
　・ラン藻の代謝制御メカニズムの理解を深め、二酸化炭素を使ったものづくりを推進

＜要旨＞

　理化学研究所（理研、野依良治理事長）は、微細藻類「ラン藻」の転写因子「NtcA［１］」の遺伝子を改変してNtcAの量を増やすことで、ラン藻の増殖を促進させるとともに、代謝の改変にも成功しました。これは、理研環境資源科学研究センター（篠崎一雄センター長）代謝システム研究チームの小山内崇研究員、及川彰客員研究員（山形大学准教授）、平井優美チームリーダー、斉藤和季グループディレクターらの研究グループの成果です。

　ラン藻は光合成をする微細藻類です。光エネルギーを利用して二酸化炭素を吸収できることから、二酸化炭素の資源化に役立ちます。また、その光エネルギーと二酸化炭素を使い、バイオプラスチックや糖、アミノ酸、色素などの有用物質を作ることができます。

　ラン藻種に広く存在するNtcAは、窒素栄養条件が変化した時に、窒素や炭素の代謝、光合成関連タンパク質などの発現を制御します。また、同時に他の転写因子の遺伝子の発現も制御するなど、ラン藻の窒素栄養条件に応答する主要な制御因子であることが知られています。しかし、NtcAの遺伝子を改変した時に、細胞全体にどのような影響があるかは分かっていませんでした。

　研究グループは、NtcAの遺伝子を改変してNtcAの量を増加させたラン藻を作製しました。その結果、二酸化炭素を炭素源、光をエネルギー源とした培養条件下で、対照株（野生株）に比べて増殖が促進されることが明らかになりました。また、メタボローム解析［２］を行ったところ、グリコーゲンやアスパラギン酸といった糖やアミノ酸の量が変化することが分かりました。

　今回の成果により、NtcAを使った新しい代謝改変の方法が見つかりました。二酸化炭素を使った環境に優しいものづくりは、現時点では実用化には遠いものの、資源の枯渇や環境問題の悪化に備えて、基盤技術を構築しておくことが重要です。今後、ラン藻の代謝制御メカニズムの理解を深めていくことで、有用物質の生産につながると期待できます。

　本研究は、JST戦略的創造研究推進事業個人型研究さきがけ（藻類バイオエネルギー領域）の一環として行われ、欧州の科学雑誌『Environmental　Microbiology』のオンライン版（７月８日）に掲載されました。


＜背景＞

　資源の枯渇や環境問題の悪化が懸念される中で、二酸化炭素を使ったものづくりの実用化は、現代に生きる私たちの重要な課題です。その解決策の１つとして有望視されているのが、光合成を行う植物・微生物を利用したバイオマスの活用です。

　ラン藻は、酸素発生型の光合成をする微細藻類で、光エネルギーを使って二酸化炭素を吸収します。ラン藻はその光エネルギーと二酸化炭素を使い、バイオプラスチックや糖、アミノ酸、色素などの有用物質を作ることができます。しかし、工業的に利用されている他の細菌と比べ、ラン藻による有用物質の生産量は低いため、目的とする物質の収率を上げる必要があります。また、ラン藻は、藻類の中では増殖が速いとされていますが、工業化するには不十分です。したがって、ラン藻の増殖能力そのものを高めることも重要な課題になっています。

　ラン藻に広く存在する転写因子「NtcA」は、窒素栄養条件に応じて、窒素や炭素の代謝に関連する酵素、光合成関連タンパク質、他の転写因子など、さまざまなタンパク質の遺伝子発現を制御しています。しかし、NtcAの遺伝子を改変した時に、細胞全体にどのような影響があるかは分かっていませんでした。

　研究グループは、世界中で広く研究されているラン藻種のシネコシスティス［３］（Synechocystis　sp．PCC　６８０３）に着目しました。シネコシスティスは、相同組換えによる遺伝子改変が可能という利点があります。そこで本研究では、シネコシスティスを用いて、ラン藻による有用物質生産の基盤技術を構築するために、NtcAに注目した代謝改変の新しい手法の開発を目指しました。


＜研究手法と成果＞

　研究グループは、NtcAの遺伝子を改変してNtcAの量を増加させた株（NtcA過剰発現株）を作製、解析しました。NtcA過剰発現株の増殖を調べたところ、光独立栄養条件（光をエネルギー源、二酸化炭素を炭素源とした培養条件下）において、対照株よりも増殖が促進されました（図１）。

　次にNtcAによる遺伝子の発現への影響を転写への影響を網羅的に調べるために、マイクロアレイを用いたトランスクリプトーム解析［４］でDNAからmRNAへの転写を網羅的に解析しました。その結果、特に窒素が欠乏した条件下では、NtcAの過剰発現によって、さまざまな遺伝子の発現が変化することが分かりました。この中には、これまでにNtcAの制御下にあることが知られていた遺伝子に加え、新たに糖やアミノ酸の代謝に関わる酵素の遺伝子が含まれていることが分かりました。

　また、NtcA過剰発現による代謝産物の変化の全体像を明らかにするために、キャピラリー電気泳動マススペクトロメトリー［５］とガスクロマトグラフィーマススペクトロメトリー［６］を用いたメタボローム解析を行いました。その結果、NtcA過剰発現株では、グリコーゲンや糖リン酸の量が変化し、アスパラギン酸やフェニルアラニン、リジンなどのアミノ酸量が増加することが分かりました（図２）。

　以上から、NtcAの遺伝子を改変することで、細胞内の炭素と窒素の代謝が大きく変化することが分かりました（図３）。また本成果は、ラン藻の増殖速度と特定の代謝産物の量を同時に増加させる珍しい例となりました。


＜今後の期待＞

　本成果により、NtcAを使った新しい代謝改変の方法が見つかりました。また、今回作製した遺伝子を改変したラン藻は、増殖と代謝がともに変化しました。今後、NtcA過剰発現株を詳細に解析することによって、増殖と代謝の関係が明らかになる可能性があります。

　ラン藻の代謝制御メカニズムを理解することで、将来的には、二酸化炭素を使ったものづくりなど、新しい産業への応用が期待できます。


＜原論文情報＞

　・Takashi　Osanai（＊），Akira　Oikawa（＊），Hiroko　Iijima，Ayuko　Kuwahara，Munehiko　Asayama，Kan　Tanaka，Masahiko　Ikeuchi，Kazuki　Saito，Masami　Yokota　Hirai，"Metabolomic　Analysis　Reveals　Engineering　of　Synechocystis　sp．PCC　６８０３　Primary　Metabolism　by　ntcA−overexpression"　Environmental　Microbiology，２０１４，doi：１０．１１１１／１４６２−２９２０．１２５５４

　＊Equally　contributed


＜発表者＞

　独立行政法人理化学研究所
　環境資源科学研究センター（http://www.riken.jp/research/labs/csrs/）
　統合メタボロミクス研究グループ（http://www.riken.jp/research/labs/csrs/metabolom/）
　代謝システム研究チーム（http://www.riken.jp/research/labs/csrs/metabolom/metab_system/）
　チームリーダー　平井　優美（ひらい　まさみ）
　研究員　小山内　崇（おさない　たかし）


　※以下の資料は添付の関連資料を参照
　・補足説明
　・図１　光独立栄養条件でのラン藻の増殖曲線
　・図２　３種類（アスパラギン酸、フェニルアラニン、リジン）のアミノ酸量比較
　・図３　NtcA過剰発現によって変化する代謝の模式図