明治大学大学院农学研究科环境バイオテクノロジー研究室の伊东昇纪助教、小山内崇准教授らの研究グループは、微细藻类の一种であるシゾン注1が、他の微细藻类よりも効率的に乳酸を生产することを発见しました。
＜研究成果のポイント＞
- 乳酸は、食品添加物や医薬品、バイオプラスチック原料として利用される有用物质である。
- 持続可能な社会実现に向けて、近年では、微细藻类を利用して二酸化炭素から直接乳酸をつくる技术が注目されている。
- 本研究によって、温泉に生息する红藻であるシゾンが、他の微细藻类と比べて高効率な乳酸生产を行うことが判明した。
- 本研究成果は、シゾンを用いることで、持続可能な乳酸生产が可能になることを示唆している。
要旨
乳酸は、顿型乳酸と尝型乳酸という镜像関係にある2种类が存在し、どちらもバイオプラスチックであるポリ乳酸の原料として使われます。现在、乳酸のほとんどは、作物由来の糖を糖化し、それを微生物が分解することで生产されています。しかし、この作物をつかう生产方法は、広大な耕作地が必要となるほか、気候変动による作物価格の高腾などの影响を受けます。そのため、近年では、光合成をする微生物、すなわち微细藻类をつかった乳酸生产が注目されています。微细藻类は、光合成で固定した二酸化炭素を炭素源として、直接乳酸を生产することができます。现在、顿型乳酸の生产としては、光合成を行う细菌であるラン藻を使った生产が报告されています。ラン藻は、暗嫌気条件という暗くてかつ酸素がない条件下で、光合成で蓄えた糖を分解し、顿型乳酸を生产します。一方で、ラン藻は、他の生物の酵素を导入しないと、尝型乳酸は生产できず、その生产量は、顿型乳酸の1/15ほどです。このように、尝型乳酸を効率よく生产する微细藻类は见つかっていませんでした。
本研究グループは、単細胞性の真核生物で、イタリアの酸性温泉から発見された紅藻シゾンを用いてL型乳酸の生産を行いました。シゾンは、暗嫌気条件下で、L型乳酸を細胞外に排出しました。暗嫌気条件下での培養の前に、窒素源が不足した培地で培養したシゾンは、窒素源が豊富な培地で培養したシゾンよりも多くのL型乳酸を生産しました。また、シゾンは、酸性条件よりも中性条件で培養したときの方が多くの乳酸を生産しました。中性条件で培養したときの1時間あたりのL型乳酸の生産量（19.2 mg/L/h）は、ラン藻（2.7 mg/L/h）の約7倍でした。
本研究によって、シゾンが、ラン藻よりも効率的に尝型乳酸を生产することが判明しました。このことは、シゾンが、产业的な尝型乳酸生产に利用可能な微细藻类の候补であることを示唆しています。また、シゾンは、遗伝子操作が可能な微细藻类であるため、今后は遗伝子操作を施すことで、さらなる尝型乳酸の増产が可能になると考えられます。
本研究は、明治大学大学院農学研究科 伊東 昇紀助教、小山内 崇准教授らのグループによって行われました。ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業先端的低炭素化技術開発ＡＬＣＡ（代表：小山内崇）、ＪＳＰＳ科研費基盤B（代表：小山内崇）およびＪＳＰＳ科研費新学術領域研究「新光合成」（領域代表：基礎生物学研究所皆川純教授、計画班代表：大阪大学清水浩教授）の援助により行われました。本研究成果は、2024年4月27日にオランダの国際誌「Algal Research」のオンライン版に掲载されました。
※研究グループ
明治大学 农学部農芸化学科 環境バイオテクノロジー研究室
助教 伊东 昇纪（いとう しょうき）
博士前期课程修了生 吉田 智寻（よしだ ちひろ）
博士前期课程1年 秋山 裕太（あきやま ゆうた）
元研究技术员 岩住 香织（いわずみ かおり）
准教授 小山内 崇（おさない たかし）
１．背景
乳酸は、様々な用途がある有用物质で、食品や医疗分野での利用に加えて、バイオプラスチックの原料としても利用されています。乳酸を原料としてつくられるバイオプラスチックが、ポリ乳酸です。ポリ乳酸の「ポリ」は「多数の」という意味があり、ポリ乳酸は、乳酸が沢山つながってできたプラスチックです。ポリ乳酸は、ゴミとして土壌中や水中に廃弃された际に、微生物によって二酸化炭素と水にまで分解される生分解性という性质を有しており、环境问题の解决につながるプラスチックとして注目を集めています。乳酸には、右手と左手のように镜像関係にある2种类の乳酸があり、それぞれ顿型乳酸、尝型乳酸といいます。ポリ乳酸が、高い热安定性や耐加水分解性を示すためには、顿型乳酸と尝型乳酸の両方を材料として使用する必要があります。
现在、乳酸の90％以上は、植物由来の糖を炭素源とする微生物によって生产されています。この生产は、トウモロコシやサトウキビ由来のデンプンを糖化した后、それを微生物が炭素源として利用し、乳酸発酵をする二段阶の生产です。しかし、この生产方法は、植物を利用するので、植物を栽培するための広大な耕作地が必要であることや食料との竞合などの问题が生じる可能性があります。作物価格は、経済成长や気候変动の影响を受け、今后も増加していくと予想されています。そのため、上记の问题点を解决した新たな乳酸生产技术の开発が求められています。
こうした背景の中で、注目されているのが、「微細藻類を用いた乳酸生産」です。微細藻類は、顕微鏡で観察される微細な藻類の総称です。微細藻類は、二酸化炭素の固定から乳酸発酵までを自分で賄うができます。加えて、微細藻類を用いた生産は、培養液中で行われるため、広大な耕作地が必要なく、食料との競合も起きません。このように、微細藻類を用いた乳酸生産は、持続可能な生産として期待されています。現在、D型乳酸の生産としては、酸素発生型の光合成をする細菌であるラン藻を用いた生産が報告されています。ラン藻は、暗嫌気条件という暗所でかつ酸素がない条件下で、光合成で蓄えた糖を分解してD型乳酸を生産します。D型乳酸の生産は、培養液中の窒素源やpHの影響を受け、現在、培養液あたりの生産量は、26.6 g/Lになっています。一方で、ラン藻は、L型乳酸を生成する酵素をもっていません。ラン藻に、他の生物のL型乳酸生成酵素を導入した研究では、L型乳酸の生産が確認されましたが、生産に28日間要し、生産量は、1.8 g/Lと少なめです。ミドリムシ（ユーグレナ）もL型乳酸を生産しますが、その生産は不安定であることが報告されています。このように、L型乳酸の生産に適した微細藻類は、見つかっていませんでした。
そこで、本研究グループは、イタリアの酸性温泉から発见されたシゾン注1という红藻に着目しました（図1）。シゾンは、単细胞性の真核藻类で、细胞数が2倍になるために要する时间が约12时间であり、真核生物の中では比较的早く増殖します。シゾンは、全ゲノム配列が解読されており、近年では、シゾンの遗伝子改変技术も确立されています。また、シゾンは、ラン藻と异なり、尝型乳酸生成酵素を复数种类持っており、夜间に乳酸発酵を行うことが以前の研究で示唆されています。このように、シゾンは、尝型乳酸の生产に适した性质も持っています。
２．研究手法と成果
今回、本研究グループは、シゾンを暗嫌気条件下で培养しました。暗嫌気条件下で、シゾンは、尝型乳酸とコハク酸と酢酸という3种类の有机酸を细胞外に排出しました（図1）。
シゾンの尝型乳酸生产に対する窒素源の影响を调べるために、暗嫌気条件下での培养の前に、窒素源が豊富な培地で培养したシゾン（通常培养シゾン）と窒素源が不足した培地で培养したシゾン（窒素欠乏シゾン）を準备しました。これらのシゾンを暗嫌気条件で培养した结果、窒素欠乏シゾンは、通常培养シゾンよりも多くの尝型乳酸を生产しました（図2）。窒素欠乏シゾンが生产した全有机酸の中で、尝型乳酸は9割を占めました（図1）。
シゾンのL型乳酸生産に対する培養液のpHの影響を調べるために、培養液を酸性にした場合と、中性にした場合で培養を行い、比較しました（図3）。中性条件（pH 7.4）では、酸性条件（pH 2.5）よりも多くのL型乳酸を生産しました（図3）。また、酸性条件では、24時間で生産が頭打ちになるのに対し、中性条件では、36時間経ってもL型乳酸が増え続けました（図3）。
中性条件で7日間培養したときのL型乳酸の生産量は、3.23 g/Lであり、ラン藻の1.8 g/Lよりも高い値でした（図4）。同様に、シゾンの培養1時間当たりの生産量（19.2 mg/L/h）もラン藻（2.7 mg/L/h）よりも高い値でした（図4）。これらの結果は、シゾンが、ラン藻よりも高濃度かつ高効率のL型乳酸生産を行うことを示しています。
３．今后の期待
本研究グループは、暗嫌気条件で培养することで、シゾンが尝型乳酸を生产することを発见しました。さらに、シゾンの窒素源や培养液の辫贬を调整することで、ラン藻よりも効率的に多くの尝型乳酸を生产させることに成功しました。このことは、シゾンが、产业的な尝型乳酸生产に用いる微细藻类の有力な候补であることを示唆しています。今后は、尝型乳酸を生成する代谢の调节点を见つける基础研究やシゾンの遗伝子改変を行うことで、さらなる増产が可能になると考えられます。
４．论文情报
タイトル
L-Lactate production from carbon dioxide in the red alga Cyanidioschyzon merolae
（日本语タイトル 红藻Cyanidioschyzon merolaeによる二酸化炭素からの尝型乳酸生产）&苍产蝉辫;
着者名
Chihiro Yoshida, Yuta Akiyama, Kaori Iwazumi, Takashi Osanai, Shoki Ito
雑誌
Algal Research
DOI
５．补足説明
- 注1 シアニディオシゾン（通称シゾン）
参考図
図1. シゾンを用いたL型乳酸生産
シゾンは、単细胞性の微细藻类で、温泉に生息しています。シゾンは、暗くてかつ酸素がない条件（暗嫌気条件）で培养すると、细胞外に有机酸を排出します。排出する有机酸のうち、尝型乳酸は、全有机酸の9割を占めています。
図2. 窒素欠乏状態のシゾンの有機酸の生産量
縦轴は、培养液1尝あたりの有机酸の生产量を表しています。暗嫌気条件での培养の前に、窒素源が不足した培地で培养したシゾン（窒素欠乏シゾン）は、窒素を十分に含む培地で培养したシゾン（通常培养シゾン）と比べて多くの尝型乳酸を生产します。アスタリスクは、通常培养シゾンと窒素欠乏シゾンの间の统计的な有意差を表しています（*P<0.05, **P&濒迟;0.005）。
図3. シゾンのL型乳酸生産に対する培養液のpHの影響
縦軸は、培養液1LあたりのL型乳酸の生産量を表しています。中性条件（pH 7.4）で培養したときは、酸性条件（pH 2.5）で培養したときよりも多くのL型乳酸を生産します。
図4. ラン藻とシゾンのL型乳酸生産の比較
シゾンは、ラン藻よりも多くの乳酸を生产します（左図）。さらに、シゾンは、培养1时间あたりの生产量、つまり生产効率もラン藻を上回っています（右図）。