酵母の世界 No.34-1｜Ogataea polymorpha：メタノールを利用する酵母

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。
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前回は、沖縄で見つかった新種酵母 Yamadazyma thunbergiae（ヤマダザイマ・トゥンベルギアエ） を紹介しました！

今回の主役は、Ogataea polymorpha（オガタエア・ポリモルファ）です。

この酵母の特徴は、メタノールを炭素源として利用できること。

メタノールといえば、消毒や燃料、工業原料を思い浮かべるかもしれません。細胞にとって扱いやすい物質でもありません。

土壌から見つかったメタノール利用酵母

O. polymorpha の基準となる株は、ブラジルの土壌から分離されました。
その後、土壌だけでなく、果汁や植物由来の環境などからも同種の株が見つかっています。

実は、自然界にもメタノールは存在します。

たとえば植物の細胞壁に含まれるペクチンが変化するときには、少量のメタノールが放出されます。
そのため、植物表面や植物が分解される環境には、メタノールを利用する微生物が暮らしています。

メタノールを利用するために、この酵母の細胞内で何が起きているのでしょうか？

危険な反応を「専用の部屋」に閉じ込める

メタノールを利用するとき、O. polymorpha はまずメタノールをホルムアルデヒドという物質へ変えます。

この反応を担うのが、メタノールを酸化する酵素です。

ところが、この反応には問題があります。

ホルムアルデヒドは細胞にとって有害です。
さらに、同時に過酸化水素という反応性の高い物質も生じます。

そこで O. polymorpha が利用するのが、ペルオキシソームです！

ペルオキシソームとは、特定の化学反応を行うために細胞内につくられる小さな区画です。

メタノールを利用するとき、O. polymorpha はこの中にメタノール代謝に必要な酵素を集めます。
さらに、生じた過酸化水素はカタラーゼという酵素で分解します。

つまり、この酵母は危険な反応を細胞全体に広げるのではなく、専用の区画にまとめて処理しているのです！

実際、メタノールで育てた細胞ではペルオキシソームが大きく発達し、その内部にはメタノールを酸化する酵素が大量に集まります。

ここが、O. polymorpha の面白いところです。

メタノールを利用できる理由は、特殊な酵素を一つ持っているからだけではありません。

危険な化学反応を、細胞の中で安全に進める仕組みそのものを持っているのです！

メタノールの炭素から細胞をつくる

では、メタノールから生じたホルムアルデヒドは、その後どうなるのでしょうか？

一部はさらに分解され、細胞がエネルギーを得るために使われます。

一方で、別の一部は細胞をつくる材料として取り込まれます。

メタノールは炭素を1個しか持たない小さな分子です。
O. polymorpha は、この小さな炭素を別の分子と組み合わせながら、より大きな炭素化合物へ変えていきます。

こうして、メタノールしかない環境でも、自分の細胞をつくるための炭素を得ることができます！
また、メタノールを利用する酵母では、この反応も主にペルオキシソーム内で進みます。

つまり O. polymorpha は、メタノールをエネルギー源としながら、他方、自分の体をつくる炭素源として利用しています。

メタノールへの反応を、ものづくりに利用する

この仕組みは、バイオものづくりにも利用されています。

O. polymorpha はメタノールに出会うと、メタノールを処理するための酵素を大量につくります。

そのとき働くのが、遺伝子の働きを強くするプロモーターと呼ばれる領域です。

研究では、この「メタノールがあると強く働くスイッチ」を利用し、その後ろに別の遺伝子をつなぐことで、目的のタンパク質を酵母につくらせる技術が開発されてきました。

つまり、

わけです。

ここでも利用されているのは、酵母そのものだけではありません。

その酵母が進化の中で身につけてきた代謝の仕組みです。

おわりに

Ogataea polymorpha（オガタエア・ポリモルファ） は、メタノールを炭素源として利用できる酵母です。

その能力を支えているのは、メタノールを分解する酵素だけではありません。

ホルムアルデヒドや過酸化水素が生じる危険な反応を、ペルオキシソームという専用の区画にまとめる。
そして、メタノールの炭素をエネルギーと細胞材料の両方へ振り分ける。

そこまで含めて、初めてメタノールを「利用できる」細胞になります。

さらに、その代謝を動かす仕組みは、現在ではタンパク質をつくるための技術にも利用されています。

酵母が何を食べられるのかを調べると、その裏側には、細胞が化学反応をどう制御しているのかという、もう一段深い世界が見えてきますね！

次回は、Blastobotrys adeninivorans（ブラストボトリス・アデニニボランス）を紹介します。

この酵母の特徴は、アデニンを栄養として利用できることです。

アデニンは、DNAをつくる材料の一つであり、一般に「プリン体」と呼ばれる化合物の仲間です。

私たちの体ではプリン体を分解すると尿酸が生じ、尿酸が増えすぎると痛風につながります。

B. adeninivorans は、こうしたアデニンなどのプリン化合物をさらに分解して利用できます。

さらに、この酵母がもつプリン分解酵素を利用して、食品中のプリンを減らす研究まで行われています！

次回は、DNAの材料にもなる物質を「食べる」酵母の代謝と、その意外な応用を見ていきます！

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参考文献

Veenhuis M et al. Substructure of crystalline peroxisomes in methanol-grown Hansenula polymorpha: evidence for an in vivo crystal of alcohol oxidase. Molecular and Cellular Biology. 1981;1(10):949–957.

van der Klei IJ et al. Location of catalase in crystalline peroxisomes of methanol-grown Hansenula polymorpha. FEMS Microbiology Letters. 1992;93(1):7–11. 

Suh SO et al. Methylotrophic yeasts near Ogataea (Hansenula) polymorpha: a proposal of Ogataea angusta comb. nov. and Candida parapolymorpha sp. nov. FEMS Yeast Research. 2010;10(5):631–638.

Manfrão-Netto JHC et al. Advances in using Hansenula polymorpha as chassis for recombinant protein production. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2019;7:94. 

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