遺伝子編集は新しい生物を生み出す - 気候変動を緩和する希望?

文:楊燕菱 / 聚和國際 R&D

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気候変動に寄与する最大の 2 つの要因は、二酸化炭素 (CO2) とメタン (CH4) の増加です。どちらも炭素を含む化合物です。 メタノールは、CO2 とメタンから生成できます。 現在、メタノールは工業原料として広く使用されています。 将来、メタノールが生物原料として使用できるようになれば、気候の悪化を遅らせるのに役立つかもしれません (図 1)。

（図1）
 

自然界のメチロトローフは、リブロース一リン酸経路 (RuMP) またはセリン回路を介してメタノールを変換および利用します。 メタノール脱水素酵素 (Medh)、ヘクスロース-6-リン酸シンターゼ (Hps)、および 6-ホスホ-3-ヘクスロイソメラーゼ (Phi) を含む RuMP に関与する酵素は、従属栄養生物の典型的な糖代謝に関与するものと類似していますが、 RuMP 経路でのみ見られます。 したがって、従属栄養生物でこれら 3 つの酵素を発現させることにより、合成メチロトローフを作成することが可能である可能性があります。



合成メチロトローフを作成する目的で、中央研究院の社長であるジェームズ・リャオ博士が率いる研究チームは、遺伝子編集を使用して大腸菌をメチロトローフ生物に改変しました。 まず、チームは上記の 3 つの酵素をコードする遺伝子を、ウイルス感染によって大腸菌に導入しました。 20 世代の培養後、進化した CFC381.20 大腸菌株は、400 mM メタノールと 20 mM キシロースを含む最少培地で 48 時間以内に 0.1 から 1.0 の OD600 で増殖することができました。 しかし、この菌株はメタノールだけでは増殖できませんでした。



この問題に対処するために、チームはロバストネス分析 (EMRA) のためのアンサンブル モデリングを使用して、天然および人工の代謝経路を比較し、合成株の酵素のロバスト性をテストしました。 さらに、この分析は、以前のより長い培養中に細胞死を引き起こした DNA-タンパク質架橋 (DPC) に関連する問題に対処するのにも役立ちました。



重要な酵素の調節を通じて、著者らは最終的にメチロトローフ大腸菌株 SM1 の培養に成功しました。 SM1 株は、細胞内の代謝バランスを維持するだけでなく、唯一の炭素源としてメタノールを利用し、400mM の濃度と 8 時間の倍加時間で最適な増殖を達成しました。 メタノール消費の主な生成物はギ酸と酢酸でした (図 2)。

(図 2)

最後に、著者らは、大腸菌の遺伝学は操作が容易であるため、遺伝子編集技術によってさまざまな変更が行われる大きな可能性があり、その結果、高価値の炭素含有化合物が生産される可能性があると述べています。 たとえば、大腸菌の増殖に必要な唯一の炭素源をメタンに変更します。
 

Source:

Chen et. al., Converting escherichia coli to a synthetic methylotroph growing solely on methanol. Cell. Retrieved September 27, 2022, from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32780992/

意味：

1. 従属栄養生物: 二酸化炭素を炭素源として利用できず、有機化合物を炭素源として必要とする生物。
2. メチロトローフ: メチル利用細菌としても知られ、成長のための炭素源およびエネルギー源として 1 炭素メチル化化合物を使用できるグラム陰性細菌のグループです。