Calusinska M, Marynowska M, Bertucci M, Untereiner B, Klimek D, Goux X, Sillam-Dussès D, Gawron P, Halder R, Wilmes P, Ferrer P, Gerin P, Roisin Y, Delfosse P.
Commun Biol. 2020 Jun 1;3(1):275.
doi: 10.1038/s42003-020-1004-3. PMID: 32483294; PMCID: PMC7264248.
国連の持続可能な開発目標（Sustainable Development Goals）のアジェンダは、石油由来の原材料やエネルギーを再生可能なバイオ由来の原料で置き換えることを可能にする変革的な技術を開発することを科学界に課している。植物バイオマス（リグノセルロース）は、最も豊富で再生可能な天然資源であるため、様々な分野で多くの応用が期待されている。Miscanthus sp.は根茎性の草であり、様々な環境条件に適応することから、広い範囲でリグノセルロースを持続的に生産できる可能性を秘めている。その重要な農学的利点（ヘクタール当たりのバイオマス収量が高い、土壌侵食が少ない、肥料や農薬の必要量が少ないなど）を考慮すると、バイオエタノール、バイオガス、食品添加物、化粧品原料、バイオ医薬品、バイオプラスチック、生体材料、有機肥料、動物飼料など、さまざまなバイオリファイナリーのバリューチェーンに適している。しかし、その頑丈性（酵素による加水分解に対する細胞壁成分の抵抗性）のため、その利用は主に未開拓である。
生体内では、リグノセルロースの酵素加水分解は、主に糖質関連酵素（CAZymes）によって駆動される。Glycoside hydrolaseは、グリコシド結合を切断する主要な酵素である。多くの場合、それらはCarbohydrate esterase、Polysaccharide lyaseおよび他のauxiliary enzymeによって支援される。ユニークな微生物コンソーシアムを持つシロアリの腸は、自然界で最も効率的なリグノセルロース分解システムと考えられている。一部のシロアリは、腸内でのセルロース分解鞭毛虫の完全な損失と新規共生細菌の獲得により、独自のリグノセルロース分解戦を獲得している。これにより、木材に限らず、乾燥した草やその他の植物の残渣、草食動物の糞や土壌の有機物など、食生活の多様化が可能となった。これまでほとんどの研究では、シロアリの内因性エンドグルカナナーゼとシロアリ腸鞭毛虫由来のセルラーゼに焦点が当てられてきた。シロアリ腸内細菌由来のCAZymesは、最近になって科学的に注目され始めたばかりである。
本研究では、フランス領ギアナのサバンナに生息するCortaritermes sp. (Nasutitermitinae subfamily)のシロアリ腸を調査した。シロアリ腸内細菌の16S rRNA遺伝子増幅プロファイリングを用いて、実験室条件下でのシロアリのMiscanthus食への適応性を調べた。de novo メタゲノム解析とメタトランスクリプトーム解析によって、腸内細菌群集内での活動の分布を明らかにし、その主役はSpirochaetaeとFibrobacteresであることを明らかにした。さらに遺伝子発現プロファイルを解析した結果、微生物の機能的可塑性（遺伝子発現の違いによる環境条件の変化への適応）が証明され、糖質代謝や輸送に関与する遺伝子転写産物の豊富さが明らかになった。再構成した細菌群集のメタゲノムを解析したところ、Miscanthusバイオマスの2つの主要成分であるセルロースとアラビノキシランを標的としたCAZymeクラスターが確認された。これらのクラスターの大部分は、FibrobacteresとSpirochaetaeを起源とする再構成メタゲノムアセンブルゲノムに割り当てられていた。また、宿主上皮腸トランスクリプトームの再構築により、これのリグノセルロース分解への寄与やMiscanthus食への適応が明らかになった。精製された細菌 CAZymes の特徴付けに基づいて、我々は多くのエンドセルラーゼ、キシラナーゼアラビノフラノシダーゼなどの in silico での活性予測を検証した。最後に、バイオリファイナリー分野における酵素の応用という文脈で我々の知見を議論した。
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