Frandsen RJN, Khorsand-Jamal P, Kongstad KT, Nafisi M, Kannangara RM, Staerk D, Okkels FT, Binderup K, Madsen B, Møller BL, Thrane U, Mortensen UH.
Sci Rep. 2018 Aug 27;8(1):12853.
doi: 10.1038/s41598-018-30816-9. PMID: 30150747; PMCID: PMC6110711.
カルミン酸は広く使用されている天然の赤色食品着色料であり、flavokermesic acid, kermesic acid, laccaic acid を含む coccid dye ファミリーに属している。これらの化合物はすべて同じアントラキノンコアを共有しており、Dactylopius coccus (Mexican cochineal)を含む様々な鱗茎昆虫種によって生成される。Coccid dye は少なくとも2800年前から織物の染色、化粧品、食品などに利用されており、その製造方法は歴史の中で大きく変化していない。現在の工業生産量は、ペルー、カナリア諸島、チリ、メキシコを中心とした施設で年間800トンと推定されている。ここでは、大規模なプランテーションや自然の生息地で栽培されているOpuntia サボテンに生息する昆虫の個体群から D. coccus を採取している。さらに、D. coccusからのカルミン酸の抽出・精製は、複雑な多段階のプロセスに依存している。そのため、生産にはコストがかかり、手間がかかり、天候の変動に弱く、植物や昆虫の病原体による攻撃にも弱い。したがって、安価で簡便かつ安定した生産が望まれており、異種微生物生産によりこれが実現できる可能性がある。
カルミン酸生産のための微生物細胞工場の構築に向けて、私たちはこれまでに、カルミン酸合成の最初の中間体がポリケチド flavokermesic acid であること、カルミン酸のグルコース部位が小胞体膜結合型C-グルコシルトランスフェラーゼUGT28によって付加されることを示した。これに基づいて私たちは、D. coccus の生合成プロセスとして、1つのポリケチド合成酵素、1つまたは 2つのモノオキシゲナーゼ、1つの C-グルコシルトランスフェラーゼに依存する5段階の生合成モデルを提示した。しかし、天然経路の最初の中間体であるflavokermesic acid anthroneの形成、およびその後のmonooxygenationの酵素学的基盤は不明のままである。これまでに機能的な動物ポリケチド合成酵素が同定されていないため、この経路におけるポリケチド合成酵素の関与は特に謎に包まれている。したがって、ポリケチド合成酵素は昆虫のゲノム内の遺伝子ではなく、共生微生物の遺伝子によってコードされている可能性がある。しかしながら、最近発表されたD. coccus の部分ゲノム配列からも、共生微生物Candidatus Wolbachia bourtzisii wDacA および Candidatus Wolbachia pipientis wDacB のゲノムからも、非還元性ポリケチド合成酵素または修飾脂肪酸合成酵素の候補がみつかっていない。天然のポリケチド合成酵素が存在しないので、我々はカルミン酸生産のための微生物細胞工場を構築するために代替戦略を採用した。本研究では、合成生物学的アプローチを用いて、広範囲の芳香族ポリケチドの生産者として特徴づけられている糸状菌 Aspergillus nidulans に、半天然のカルミン酸経路を確立する可能性を探った。この方法を用いて、微生物によるカルミン酸の安定生産の概念を確立した。
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