Kannangara R, Siukstaite L, Borch-Jensen J, Madsen B, Kongstad KT, Staerk D, Bennedsen M, Okkels FT, Rasmussen SA, Larsen TO, Frandsen RJN, Møller BL.
Nat Commun. 2017 Dec 7;8(1):1987.
doi: 10.1038/s41467-017-02031-z. PMID: 29215010; PMCID: PMC5719414.
カルミン酸（Carminic acid: CA）は天然の赤色色素で、南米とメキシコの熱帯・亜熱帯地域に自生するアメリカンコチニール（Dactylopius coccus Costa）を含むいくつかのカイガラムシに含まれている。これらのカイガラムシのほとんどはOpuntiaに属するサボテンにのみ寄生して生活している。D. coccus の成虫のメスでは、CA は乾燥重量の 14～26％を占めているが、成虫のオスではその収量は些細なものである。CA は、カイガラムシの防御化合物として機能すると考えられており、アリへの強力な摂食抑止力として機能することが示されている。テントウムシHyperaspis trifurcata の幼虫、蛾 Laetilia coccidivora のようなD. coccusを食べるいくつかの捕食者は、独自の防衛で使用するためにCAを隔離することができる。
マヤ人、インカ人、アステカ人によって着色料として使用されていたD. coccusは、古代から経済的に重要な昆虫であった。スペインの植民地時代には、乾燥した昆虫の粉末は、重要な商品としてヨーロッパに輸出されていた。19世紀初頭までには、アメリカンコチニールは、中央および南アメリカ以外のサボテンの宿主に導入され、飼育された。今日、ペルーはD. coccusからのCAの主な生産国である。
CAの生産は非常に労働集約的で、大規模なサボテン農園でD. coccusを飼育した後、成虫のメスを収穫して乾燥させる。その後、乾燥させた昆虫をアルカリ性溶液で煮沸して色素を抽出する。昆虫部を除去した後、コチニール抽出物を着色剤として使用することができる。ＣＡは水への溶解性が高く、２〜９の広いｐＨ範囲で使用することができ、溶液の酸性度や塩基性によっては、オレンジ色から赤色、バイオレット色までの色が得られる場合がある。ＣＡは、酸性条件下でミョウバンとの沈殿によってさらに精製され、carmine lakeと呼ばれるより強い赤色のアルミニウム塩を生成することができる。CAは、食品、繊維、化粧品、塗料、コーティング産業の着色剤として広く使用されている。熱や光への高い安定性、酸化への抵抗性、非発がん性、皮膚接触や摂取時の非毒性などの性質より、産業応用にとって有益である。食品が人間の健康に与える影響についての意識が高まるにつれ、消費者は合成的に生産されたものとは対照的に自然な色を求めている。赤色の合成色の多くは、健康に悪影響を及ぼすことが示されている。このことから、CAは安定性に優れた安全な着色料として改めて人気を集めている。
D. coccusにおけるCAの生合成経路は、これまで不明な点が多かった。CAはその分子構造からアントラキノングルコシドに分類される。アントラキノンの生合成経路としては、2つの経路が考えられる。一つはポリケチドをベースとした経路でアントラキノンを形成する経路であり、もう一つはシキミ酸をベースとした経路である。CA 色素はポリケチド経路に由来することが提案されているが、D. coccus ではそのような経路の実験的証拠は示されていない。提案されている生合成経路は、ポリケチド合成酵素によって触媒される過程で、1個の酢酸と7個のマロン酸を段階的に縮合してオクタケチドを生成することから始まる。オクタケチドは、その後酵素的または自然酸化を受けて、flavokermesic acidを形成すると推定される。flavokermesic acidのヒドロキシル化はkermesic acidの形成をもたらし、つづいてC-グルコシル化されてCAが生成される。D. coccus の代謝物抽出物には少量のflavokermesic acid-C-glucosides (dcII) が存在し、C-グルコシル化がflavokermesic acidのレベルで起こる可能性があることを示唆している。
上述の提案された経路と並行して、CA の合成を触媒する酵素のいくつかは、D. coccus の共生微生物に由来するとの仮説が立てられている。この仮説は、ポリケチドが微生物で広く産生されていることが知られており、魅力的である。細菌、真菌、植物の状況とは対照的に、昆虫からのポリケチド生合成に関わる遺伝子や酵素の分子情報は限られている。これまでに報告された研究では、Pederus sp.とPaederidus sp.に見られるポリケチドであるペデリンを対象としている。ペデリンは昆虫ではなく、共生微生物によって生産されていた。
本研究では、膜結合型 UDP-グルコシルトランスフェラーゼ（UGT）である DcUGT2 が、flavokermesic acid と kermesic acid の C-グルコシル化を触媒して dcII と CA を産生ことを明らかにした。本研究では、D. coccus膜を洗浄剤で可溶化した膜画分の古典的なタンパク質分画と、Saccharomyces cerevisiaeにおける候補遺伝子の異種発現を行った。DcUGT2は小胞体に結合したタンパク質であり、N末端が小胞体の内腔に面していることが予測された。このタンパク質はN末端に開裂可能なシグナルペプチド、C末端に単一の膜貫通らせん、および3つの潜在的なN-グリコシル化部位を有することが示された。DcUGT2の小胞体へのターゲティングはその活性に不可欠であることが示唆された。
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