■ジャーナリスト李晨

暑い日には、甘いジュースがすぐに変質し、アルコールの味がすることもあります。ブドウ糖やフルクトースをエタノールに変換するのが得意な「酒造り」細菌である運動発酵単胞菌が「祟り」をしている可能性が高い。

しかし、このようなエタノールを天然に産生できる「元凶」は科学者の目に映る潜在力株であり、酵母や大腸菌のようなシャーシ細胞になり、人類のために大量の化学品を製造する資質がある。

農業農村部成都メタンガス科学研究所（以下沼科所と略称する）の何明雄研究員チームは運動発酵単胞菌が環境ストレスに適応する染色体三次元構造を分析し、原核生物中に広く存在する転写因子が染色体三次元構造を媒介し、及び抗逆遺伝子発現を調節して環境ストレスに対応する分子メカニズムを明らかにした。最近、研究論文はオンラインで「核酸研究」に発表された。

論文の審査員は、これは非常に興味深い発見である——化学分子と転写因子が細菌染色体の三次元立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体に影響を与え、遺伝子転写を促進または抑制する。この研究は原核生物のゲノム構造と機能の関係を認識するために新しい科学的根拠を提供するだけでなく、三次元ゲノムのレベルから工学菌株の理性的な設計を行うために基礎を築いた。

　　細胞工場の有望株：天然エタノール産細菌

グルコースとフルクトースをエタノールに変えることができる細菌として、運動発酵単胞菌は特殊な生理生化学特性を持っている。論文通信の著者である何明雄氏によると、エタノールを産生できるのは、その代謝経路中の特定の酵素システムによるものだという。これらの酵素系は、まずグルコースなどの炭素源をピルビン酸に変換し、エタノールと二酸化炭素に変換し続けます。

農林廃棄物、例えばわらなどのバイオマスをグルコースや果糖に変換し、この細菌で処理できれば、工業用エタノールを「便利に」得ることができるのではないでしょうか。

また、運動発酵単胞菌は食品、健康及び医薬などの分野においても広い応用の将来性を示していることが研究により発見された。

しかし、わらなどのバイオマス資源の構造は緻密で、分解が難しく、利用が難しい。転化の過程では、ブドウ糖などの栄養物質を放出するための前処理が必要である。しかし、前処理により生成された加水分解液には酢酸、フランホルムアルデヒド、フェノール類、塩類化合物などの微生物発酵抑制剤が多く存在する。その中で、酢酸とフランホルムアルデヒドは主要な2種類の有毒副生成物である。

「これらの阻害剤は微生物発酵の転化効率を大幅に低下させる」と何明雄氏は言う。阻害剤に耐性のある菌株を選別できれば、関連する耐性遺伝子を見つけることが期待できる。

そこで、7年前、何明雄チーム修士課程生の王薇廷氏は菌株突然変異スクリーニングに着手し、これらの阻害剤に耐えられる抗逆菌株をスクリーニングすることを目標とした。すなわち、ストレス環境下で、糖類を効率的に利用して目標産物を生成し、これらの阻害剤の妨害を防ぐことができる菌株をスクリーニングすることである。

ゲノム組み換えなどの技術を通じて、王薇廷はついに抗逆特性を持つ運動発酵単胞菌菌株ZM 532を選出、育成し、その生物転化効率を大幅に向上させた。

耐性菌株を獲得した後、研究チームはこれらの菌株がなぜ抗逆性状を生じているのかをさらに理解したいと考えている。彼らはゲノム再配列測定、転写グループ学、タンパク質グループ学などの一般的な分析方法を利用したが、その中のいくつかの遺伝子は抗逆表現型と関連しているにもかかわらず、抗逆表現型が顕著に変化するメカニズムを完全に説明することはできなかった。

　　伝統的な手段が機能しないゲノム三次元構造探査の旅に出る

「我々のチームは前期にゲノム再配列技術と転写グループ学分析を用いて抗逆機序を明らかにした」と論文の第一著者、沼科所博士の陳茂氏は述べた。その結果、運動発酵単胞菌の抗逆菌株のゲノム上に単ヌクレオチド突然変異（SNP）及び断片挿入と欠損などの突然変異が発生したことを発見した。

彼らはまた、ゲノム突然変異に関連する遺伝子の中から抗逆表現型発生の原因を探すことを試みたが、これらの突然変異に関連する遺伝子の多くは抗逆とは関係がない。

2019年、博士課程生のSamina Shabbirは転写群と蛋白群の分析を開始し、重要な調節因子を掘り起こし、転写レベルで抗逆機序を説明しようとしたが、結果は表現型が大きく変化した原因を説明することもできなかった。

「これらの結果は、運動発酵単胞菌において、ゲノム突然変異と抗逆表現型との間に不整合な現象が存在することを示している」と何明雄氏は言う。細菌において、ゲノム変異はストレス環境に適応するよく見られる現象である。「これらの突然変異によって細菌の抗逆表現型が変化すると考えられていますが、一次元レベル、つまり遺伝子レベルでは、なぜこの表現型が変化したのか説明できない場合があります」

真核生物では、ゲノム突然変異が染色体の三次元構造を変え、癌などの疾患を引き起こす可能性があることが知られているが、原核生物におけるゲノム突然変異と染色体立体間の関係はまだ知られていない。

染色体立体配座は、染色体の折り畳み、染色体領域間の相互作用などを含む3次元空間上の染色体の組織と配列方式である。これらの高次構造は遺伝子の発現と制御に重要な影響を与える。

真核生物の三次元ゲノム学に関する研究に啓発され、何明雄チームは仮説を提出した：ゲノム突然変異が染色体の三次元構造の変化を招いて、それによって抗逆表現型の発生を招いて、そのため伝統的な方法、例えばゲノム学、転写グループ学、蛋白グループ学などの一次元二次元の技術は抗逆表現型の背後にあるメカニズムを発見しにくい。

2020年、博士号を取得中の陳茂氏は3次元ゲノム構造探索の旅に出て、重要な制御因子機能の検証を試み、3次元ゲノムの動的変化を解析し、抗逆制御の分子メカニズムを明らかにした。

　　「細胞工場」の選別・育成プロセスを速める

ゲノム突然変異と環境ストレス（酢酸やフランホルムアルデヒドなど）は一体どのようにして運動発酵単胞菌の三次元染色体構造に影響を与えたのか。

論文の共同第一著者で沼科学所の呉波副研究員によると、三次元ゲノム研究では、DNAの一次元レベルで数百kb離れた部位間の相互作用を長距離相互作用と呼び、数十kbからさらに小さな距離までの相互作用を短距離相互作用と呼ぶことが多い。

「我々の研究によると、ゲノム突然変異は局所的な短距離相互作用のみを変化させ、酢酸とフランホルムアルデヒドストレスの後、長距離相互作用だけでなく、短距離相互作用も変化させた。これらの短距離相互作用は染色体ドメインを構成し、これは染色体三次元立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体構造単位である」と呉波氏は述べた。

彼らはさらにドメイン境界特徴を解析し、鉄吸収調節タンパク質（Fur）ファミリーという重要な転写因子を発見した。運動発酵単胞菌において、調節タンパク質ファミリーには亜鉛吸収調節タンパク質（Zur）も含まれる。「この2つの関連遺伝子をノックアウトすると、この菌の抗逆酢酸とフランホルムアルデヒド表現型に深刻な影響を与える」と陳茂氏は述べた。

何明雄氏は、細菌の転写因子は細菌が逆境に適応するために重要であると説明した。これらのタンパク質は一連の遺伝子発現を制御することができ、それによって細菌の生理代謝過程に影響を与えるからだ。従来の研究は主に転写因子の最も主要な機能である遺伝子発現の調節に注目しており、これらの調節の重要性を一次元レベルから述べることである。しかし、転写因子の結合は染色体上で遺伝子発現を調節すると同時に、三次元立体立体立体配座に影響を与える可能性がある。

「我々の研究では、転写因子には遺伝子発現を環境に適応させる能力があるだけでなく、染色体の三次元立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体立体

この研究は全く新しい角度から「構造決定機能」という核心分子生物学問題を説明し、抗逆表現型形成の分子メカニズムを明らかにし、原核生物ゲノム構造と機能の関係を認識するために新しい科学的根拠を提供した。

何明雄氏は、抗逆分子メカニズムの解析は菌株の直接的な理性的な設計に有利であると強調した。理性的な設計とは、微生物学、代謝経路、ゲノム学などの深い理解に基づいて、微生物のゲノム、代謝経路または生理特性を正確に設計し、制御することによって特定の育種目標を実現することである。染色体構造の角度から染色体相互作用が理性的設計に与える影響に注目することで、表現型進化の効率を高めることができる。

「我々の研究はまだ初級段階であり、将来的には合成生物学における三次元ゲノムの応用を積極的に模索する」と何明雄氏は述べ、運動発酵単胞菌の抗逆機序を明らかにすることで、わらなどの農林廃棄物を効率的に利用し、さらに新しい「細胞工場」を開発することが期待できると述べた。