酵母の果糖発酵と資化能力を再発見~388株の酵母を使って見過ごされてきた能力を検証~

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2021-04-05 理化学研究所

理化学研究所(理研)バイオリソース研究センター微生物材料開発室の遠藤力也研究員、堀山麻衣子研究パートタイマーⅡ、大熊盛也室長の研究チームは、同室で生物遺伝資源として保存している酵母[1]388株を用いて、全ての株が果糖を栄養源として利用できること(資化[2])、302株(約78%)が果糖を発酵[3]できることを発見しました。

本研究成果は、生物遺伝資源として保存され、研究材料として利用される酵母の利用価値を高める基礎データとして重要であり、また、酵母の野外生態の解明にも貢献すると期待できます。

酵母には1,500以上の種が知られていますが、これまで、ブドウ糖やショ糖に対する酵母の発酵能力・資化能力のデータは充実している一方、果糖に関するデータはほとんどありませんでした。

今回、研究チームは、388株の酵母を用いて実験を行ったところ、全株が果糖に対する資化能力を持ち、302株が発酵能力を持つことを発見しました。この結果から、この二つの能力が酵母の普遍的な表現型[4]であることが明らかになりました。また、発酵においてAmbrosiozyma platypodisとCyberlindnera americanaの2株は、ブドウ糖と果糖を混合して与えた場合はブドウ糖を好み、ブドウ糖または果糖を単独で与えた場合は果糖を特に好むことが分かりました。

本研究は、科学雑誌『Microorganisms』(4月5日付:日本時間4月5日)に掲載されます。

背景

理研バイオリソース研究センター微生物材料開発室(BRC-JCM)は、文部科学省が推進するナショナルバイオリソースプロジェクトの中核的拠点「NBRP一般微生物」として、多種多様な微生物株を収集・保存・提供しています。幅広い研究コミュニティーにおいて品質の確かな微生物株を利活用してもらうために、保存する微生物菌株の品質管理は極めて重要なミッションです。このうち、酵母株については、その菌株が持つ特性「表現型」の品質管理を行ってきました。例えば、「ブドウ糖(グルコース)をアルコール発酵(以下、発酵)する」という能力も、その菌株の表現型の一つといえます。

酵母といえばモデル生物であり、パン酵母や清酒酵母とも呼ばれるSaccharomyces cerevisiae(サッカロマイセス セレビジエー)が特に有名ですが、酵母には1,500以上の種(species)が知られています。顕微鏡で観察しても形態の特徴が乏しいことから、酵母の種の識別・分類には生理学的特徴を指標とする手法が古くから用いられてきました。その手法は1950年頃には既に体系化されており、糖類の発酵能力や炭素源の資化能力など30以上の項目が識別の指標に含まれています。生理学的特徴の解析は標準法として現代の酵母研究でも広く行われており、ほぼ全種の酵母で生理学的特徴のプロファイルが明らかにされています。

研究チームは、BRC-JCMにおいて酵母の表現型の品質管理を進めていく過程で、ブドウ糖やショ糖(スクロース)の発酵能力・資化能力のデータは充実している一方、果糖(フルクトース)に関するデータはほとんどないことに気付きました。古い文献を当たると、1912年頃に「ブドウ糖を発酵できる酵母は例外なく果糖も発酵できる」とした記述があり、1952年に出版された酵母分類の標準書『The Yeasts, a Taxonomic Study』ではこの説を採用して、標準法として生理学的特徴解析の対象に果糖を含まなかったことが判明しました。のちの1985年にこの”ルール”を再検証し、「概ね正しい」とした文献があるものの、どの酵母種を用いて検証したかといった詳細が記述されていないことも分かりました。

このような歴史的背景から、酵母の生理学的特徴のプロファイルにおいて、果糖のデータが事実上欠落している状態が続いていました。

研究手法と成果

研究チームは、BRC-JCMで生物遺伝資源として保存している酵母のうち、その種の代表とされる基準株を中心とした388株を用いて、ブドウ糖を発酵できる酵母は例外なく果糖も発酵できるかどうか検証しました(図1)。

ブドウ糖・果糖の発酵能力試験の様子(左)と寒天培地上の酵母の図

図1 ブドウ糖・果糖の発酵能力試験の様子(左)と寒天培地上の酵母

左:左4本の試験管がブドウ糖、右4本の試験管が果糖の発酵試験。試験管内には小さな発酵管(ダーラム管)が逆さになって入っており、発酵に伴って発生する二酸化炭素を捕集することで発酵能力を観察できる。

右:寒天培地上に生育する酵母Ambrosiozyma platypodis JCM 1843株。


従来から行われてきた発酵能力・資化能力試験の手法を用いて実験した結果、388株全てで果糖の資化能力があること、302株で果糖の発酵能力があることが分かりました(表1)。

糖類本研究The Yeasts
資化能力あり発酵能力あり資化能力あり発酵能力あり
ブドウ糖100% (388/388)77.8% (302/388)100% (827/827)72.8% (602/827)
果糖100% (388/388)77.8% (302/388)(データなし)(データなし)
ショ糖59.0% (229/388)25.5% (99/388)60.7% (502/827)24.2% (200/827)
ガラクトース65.4% (541/827)30.6% (253/827)
トレハロース70.0% (579/827)30.1% (249/827)
麦芽糖56.8% (470/827)18.3% (151/827)
ラフィノース28.5% (236/827)13.8% (114/827)

表1 各種糖類の資化能力・発酵能力を持つ子嚢菌酵母の割合

本研究ではブドウ糖・果糖・ショ糖の資化能力および発酵能力を試験した。右2列のデータは『The Yeasts, a Taxonomic Study 第5版』(2011年)より集計し、カッコ内の数値は種数で計数した。ブドウ糖と果糖で数値が突出して高く、酵母が好む糖類であることが分かる。

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