酵母の世界 No.18-2｜Kluyveromyces lactis：乳製品とともに進化した酵母

このシリーズでは、パン・ビール・ワイン・発酵食品を支える酵母たちを、研究者の視点から少しずつ紹介しています。
★酵母の世界を巡るためのまとめページを作成してます↓

前回は、ワインを発酵するもう一つの Saccharomyces uvarum（サッカロマイセス・ウバルム）を紹介しました。

今回は、Kluyveromyces lactis（クルイベロマイセス・ラクティス）です。

この酵母は、牛乳に含まれる乳糖（ラクトース）を利用できることで知られています。

ところが、乳糖を利用できることは、K. lactis という種に最初から備わっていた当たり前の性質ではなかったようです。

ゲノムをたどると、人間が乳製品をつくってきた歴史の中で、この酵母も変化してきたことが見えてきました！

野生の K. lactis は乳糖を使えない？

K. lactis はチーズや発酵乳などの乳製品から見つかる一方、自然界にも存在します。

近年、野生株と乳製品由来株のゲノムを比較したところ、両者にははっきりとした違いがありました。

乳製品に関係する集団は遺伝的な多様性が低く、長い間、人間がつくった環境の中で選抜されてきた家畜化された集団ということが分かりました！

さらに重要なのが乳糖の利用です。

乳製品由来の K. lactis は乳糖を利用できますが、その能力を支える遺伝子は、近縁種である Kluyveromyces marxianus （クルイベロマイセス・マルキシアヌス）から取り込まれたことがゲノム解析から示されました。

しかも複数回も。

つまり、現在「乳糖を利用する酵母」として知られている K. lactis は、乳製品という環境の中で、その能力を獲得してきた酵母なのです。

牛乳の糖を、細胞の中へ取り込む

では、K. lactis はどのように乳糖を利用するのでしょうか？

乳糖は、グルコースとガラクトースがつながった糖です。
そのままでは細胞の中心的な代謝に使えないため、まず二つに分ける必要があります。

乳製品由来の K. lactis は、乳糖を細胞内へ取り込み、そこでβ-ガラクトシダーゼという酵素を使って、グルコースとガラクトースへ分解します。

この仕組みを支えるのが、乳糖を取り込む LAC12 と、乳糖を分解する LAC4 です。

面白いのは、この二つの遺伝子を含む領域が、近縁の K. marxianus から受け取られたと考えられていることです。

つまり、

乳糖を取り込む
→ 二つの糖に分ける
→ 細胞のエネルギー源として使う

という一連の能力そのものが、種を越えた遺伝子のやり取りによってもたらされたわけです。

現在研究者らは、人間がチーズや発酵乳をつくることで大量の乳糖が存在する環境を生み出し、そこで乳糖を利用できる酵母が選ばれていったと考えています。 

乳製品づくりに使う

実はこの能力、私たちも日ごろから利用しています！

K. lactis が乳糖を分解するときに使うβ-ガラクトシダーゼは、ラクターゼとも呼ばれます。

牛乳にこの酵素を加えると、乳糖をグルコースとガラクトースへあらかじめ分解できます。

そのため、K. lactis 由来のβ-ガラクトシダーゼは、低乳糖・ラクトースフリー乳製品をつくるための酵素として利用されています。

実際、市販の K. lactis 由来酵素を使って牛乳中の乳糖を99％以上分解した研究もあります。

もともとβ-ガラクトシダーゼは、K. lactis にとって乳糖を自分の栄養にするための酵素でした。

現在では、人間がその同じ反応を、人が食べやすい乳製品をつくる技術として利用しています。

酵母そのものが「酵素工場」になる

K. lactis の産業利用はラクターゼだけではありません。

この酵母は、つくったタンパク質を細胞の外へ分泌させやすいため、さまざまな酵素やタンパク質を生産する「細胞工場」としても利用されています。

代表例が、チーズづくりで牛乳を固めるキモシンです。
K. lactis を使った組換えキモシンは工業的に生産されてきました。

つまり K. lactis は、

という、乳製品産業と非常に深く結びついた酵母なのです。

おわりに

Kluyveromyces lactis（クルイベロマイセス・ラクティス） は「乳糖を利用できる酵母」として知られています。

しかし、その能力の背景をたどると、近縁の酵母から乳糖利用に必要な遺伝子を取り込み、人間がつくった乳製品環境の中で選ばれてきた歴史が見えてきます。

そして現在、人間はその乳糖分解能力を、ラクトースフリー乳製品をつくる技術として利用しています。

人間が乳製品をつくるようになったことで酵母が変わり、その酵母の能力を、今度は人間が利用している。

牛乳やチーズのような身近な食品の裏側にも、そんな人間と微生物の長い関係が残されています。

次回は、Saccharomycodes ludwigii（サッカロマイコーデス・ルドウィギイ）を紹介します。

この酵母は、ビール麦汁に多く含まれるマルトース（麦芽糖）やマルトトリオースをほとんど利用できません。

普通なら「糖を使えない」といことは、「ビールを作れない」という事なのでは弱点に見えます。

ところがノンアルコール・低アルコールビールでは、その「できなさ」が大きな利点になります！

次回は、なぜ S. ludwigii ではアルコールが増えにくいのか、そして酵母の「できない性質」が、どのように発酵技術の価値へ変わるのかを見ていきましょう！

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参考文献

Varela JA et al. Origin of Lactose Fermentation in Kluyveromyces lactis by Interspecies Transfer of a Neo-functionalized Gene Cluster during Domestication. Current Biology. 2019;29(24):4284–4290.e2.

Friedrich A et al. Contrasting Genomic Evolution Between Domesticated and Wild Kluyveromyces lactis Yeast Populations. Genome Biology and Evolution. 2023;15(2):evad004.

Erich S et al. Novel high-performance metagenome β-galactosidases for lactose hydrolysis in the dairy industry. Journal of Biotechnology. 2015;210:27–37.

van Ooyen AJJ et al. Heterologous protein production in the yeast Kluyveromyces lactis. FEMS Yeast Research. 2006;6(3):381–392.

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