JP2001517429A - 繊毛虫(原生動物)の連続大量培養を用いた生物由来の貴重物質を生産する発酵法 - Google Patents
繊毛虫(原生動物)の連続大量培養を用いた生物由来の貴重物質を生産する発酵法Info
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Abstract
Description
胞抽出により得られる、繊毛虫(原生動物)の連続大量培養を用いた生物由来の
貴重物質(valuable substances)を産生する発酵法に関す
る。
しかなされていないが、これら生物の数多くの代謝物は、リソソーム酵素のよう
に経済的に興味深いものである。今までのところ、生物由来の貴重物質を繊毛虫
から得るための生物工学的な方法はごくわずか[主として繊毛虫のテトラヒメナ
(KiyとTiedtke,1991,Appl.Microbiol.Bio
technol.,35,14;Kiyら、1996,Enzyme Micr
ob.Technol.,18,268;KiyとTiedtke,1992,
Appl.Microbiol.Biotechnol.,38,141)]し
か記載されておらず、しかもこれらは排出された細胞生成物、即ち繊毛虫の細胞
によって培養基へ放出される細胞生成物を得る方法に限られている。この種の方
法では、繊毛虫を発酵槽で培養し、排出された生物由来の貴重物質を含有する培
養基がほぼ規則的な間隔で周期的に除去され、新鮮な培地に交換される。培地交
換の間、繊毛虫は、細胞材料がほとんど失われずに細胞培養物がほぼ永続的に存
在するように、例えば膜の使用、細胞の固定化等によるある種の方法を使用して
、発酵槽の中に保持される。しかし、細胞に付着している生物由来の貴重物質を
得るためには、細胞全体、いわゆるバイオマスを採取することが必要である。こ
の目的のためには、一般には(即ち貴重物質の生産者としての細菌又は真菌を用
いた発酵法として一般に知られている)いわゆるバッチ発酵が実施されるが、こ
こでは発酵槽に播種し、最大のバイオマス又は生成物濃度に達するまで細胞を培
養し、次いでバイオマスが採取される。このような方法はすでにParamec
ium(ゾウリムシ)、Colpoda(コルポーダ)及びTetrahyme
na(テトラヒメナ)のような様々な繊毛虫について記載されている(Prop
erとGarver,1966,Biotecnol.Bioeng.,8,2
87;Schoenefeldら、1986,J.Protozool.,33 ,222;KiyとTiedtke,1992,Appl.Microbiol
.Biotechnol.,37,576)。
び特に重要な増殖期の間は、細胞培養を集中モニタリングして面倒をみなければ
ならないことという根本的な欠点がある。
酵法だけでなく、「連続発酵法」も知られている。この方法では、ある細胞密度 に達するまで細胞が発酵槽で培養され、次いで連続細胞抽出によって発酵槽から
採取されるが、この間新鮮な培養基が同時に同量追加される。単位時間あたりに
抽出される細胞の量(細胞抽出量)は、発酵槽に残っている細胞が、連続的な細
胞分裂によって、採取による細胞密度の低下を容易に補填し得るほどのものであ
る。ある範囲の細胞抽出率又は希釈率「D」では、培養物、従って所望される生
成物が連続的に採取されても、発酵槽の細胞密度は一定に保たれる。
その実現には、培養又は飼育される生物が比較的迅速かつ一様に成長及び増殖す
ること、及び連続発酵法で遭遇する撹拌・剪断力に対してそれらが非感受性であ
ることが求められる。
殖しないこと、様々な成長期を経ること、及び撹拌・剪断力に対して非常に敏感
に反応するということが一般に知られている(CurdsとCockburn,
1971,Journal of General Microbiology
66,95−109;MiddlerとFinn,1966,Biotech
nology and Bioengineering 8,71−84)。繊
毛虫の連続大量培養の試みについての記載はあるが、それには細菌を含有する培
養基が必ず使用されていて、10日以上の培養にもかかわらず、最大の細胞密度
で数万個/mlの細胞しか得られていない(CurdsとCockburn,同
上)。工業スケールでの使用には、そのような細胞密度は全く不十分である。さ
らに、CurdsとCockburnにより記載された培養が工業使用に完全に
適さないのは、餌生物、即ち細菌を含有する培地の使用を指示するからである。
細菌含有の培養基では、細菌もまた当然ながら永続的に増殖し、その程度は存在
している繊毛虫の量次第である。繊毛虫集団と細菌集団との共存的な平衡はきわ
めて不安定であり、些細な介入物でも両集団に実質的な変化を引き起こす可能性
がある。
繊毛虫が工業スケールの連続発酵法に適さないという通説を明らかに裏付けてき
た。
毛虫の連続発酵法を提供することが本発明の目的である。
プの方法によって達成される。
物又は抽出物が水性溶液に溶けた栄養培地である。
を含まない栄養培地である。
、純粋な繊毛虫培養物を使用して、成功裡にかつ経済的に十分見返りのあるやり
方で実行し得るという驚くべき発見に基づいている。テトラヒメナの場合、培養
開始後3日目にして、100万個の細胞/mlというオーダーの連続細胞密度が
問題なく実現され得る。従って、既知の発酵槽を使用して、無菌培地において(
即ち生きた飼料又は餌生物のない状態で)通常遭遇する剪断力の存在下では、数
十万〜百万個の細胞/mlという細胞密度の連続大量培養に繊毛虫は適さないと
いう以下の理由による当業者の偏見は、克服される: ・それらは、あまりにゆっくりと、しかも必ずしも十分に一様ではなく増殖し、 ・撹拌・剪断力に対してほとんど抵抗性を示さず、そのような力によってごく容
易にかつすぐに損傷及び/又は破壊され、 ・これまでに実行されてきた培養の試みでは、餌生物の含有培地、従って実質的
に天然の養分を使用したにもかかわらず、相対的にごく低い最大細胞密度にしか
到達していない。
産用に繊毛虫を利用すること、従って、特にタウロリピド(taurolipi
ds)及びテトラヒマノール(tetrahymanol)のような繊毛虫由来
としてのみ知られている貴重物質又は、例えばγ−リノレン酸、ドコサヘキサエ
ン酸、エイコサペンタエン酸、オクタテトラエン酸及びアラキドン酸のような、
繊毛虫によってごく特異的に産生される物質を、経済的に重要なスケールで獲得
することが初めて可能になる。
な妨害要因が初めから回避され、技術上の経費でさえ最少に制限される:例えば
餌生物を再増殖させるためにの発酵槽は全く余計である。
酵素(例えばβ−ヘキソサミニダーゼ、L−アスパラギナーゼ、ジイソプロピル
フルオロホスファターゼ、グルコシダーゼ、フコシダーゼ、ホスファターゼ、ヌ
クレアーゼ又はカテペプシン.L)、脂肪酸及び脂質(例えば、γ−リノレン酸
、ドコサヘキサエン酸、エイコサペンタエン酸、オクタテトラエン酸、アラキド
ン酸、ホスホノリピド、タウロリピド又はテトラヒマノール)、多糖類、核酸、
二次代謝物、ポリマー等を包含する。バイオマスそのものも生成物であり得る。
バイオマスを栄養分として含む栄養培地において従来の静置及び/又は振盪培養
又はバッチ発酵において原則的に培養し得る生物分類上のすべての繊毛虫亜群を
包含する。これらは、特に、繊毛虫亜群であるHolotricha(全毛類)
、Peritricha(緑毛類)、Spirotricha(旋毛類)及びS
uctoria(吸管虫類)であり、非常に特定すれば、Tetrahymen
a(テトラヒメナ)、Paramecium(ゾウリムシ)、Colpoda(
コルポーダ)、Glaucoma(グラウコマ)、Parauronema(パ
ラウロネマ)、Engelmanniella(エンゲルマニエラ)、Styl
onichia(スチロニチア)、Euplotes(ユープロテス)及びCo
lpidium(コルピデイウム)の目(K.Hausmann:Protoz
oologie,Thieme Verlag,1985による分類)である。
さらに、本発明は野生株に限定されず、突然変異体及び組換え体の株を包含する
。
リフト発酵槽において実行される。
毛虫の種によって、発酵温度は15〜40℃である。
グルコース、フルクトース、キシロース、スクロース、マルトース、デンプン、
フコース、グルコサミン、ラクトース、糖蜜、デキストラン、脂肪酸(例えば、
オレイン酸)、大豆油、ひまわり油、グリセロール、グルタミン酸、マンニトー
ル、脱脂粉乳又は酢酸塩。
ペプトン、酵母抽出物、麦芽抽出物、肉抽出物、脱脂粉乳、カサミノ酸(cas
amino acid)、コーンスティープリカー、グルタミン酸ナトリウム及
び尿素のような有機窒素源、酢酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、塩化アンモ
ニウム又は硝酸アンモニウムのような無機窒素源。窒素源の濃度は、培養基に対
して0.1〜10重量%の範囲とすべきである。
ウム又はリン酸二水素カリウムが培養基へ追加される。それとは別に又はさらに
加えて、問題にしている繊毛虫の成長及び増殖速度をさらに最適化するために、
硫酸アンモニウム、硫酸ナトリウム、マグネシウム、鉄、銅、カルシウム、ビタ
ミン、微量元素及び増殖因子を追加することも可能である。
gential filtration)、マイクロ濾過、沈降法、浮上法又は
分離装置を使用して培養基から分離される。しかしながら、他の方法も実行可能
である。
りの交換量/発酵槽の稼動量)は、繊毛虫株の増殖速度に依存して、0.1〜1
2(=1/10〜12/1)の範囲である。以下に、実施例を使用して本発明を
より詳細に示す。実施例1 :テトラヒメナ・ピリフォーミス(pyriformis)の連続発酵 テトラヒメナ・ピリフォーミスを次の条件下で、Biostat MDタイプ
(Braun Biotech.Melsungen)の2リットル発酵槽で培
養した。 培地:以下のものを水に加える。 − 0.5重量%のプロテオースペプトン(Proteose Peptone ) − 0.1重量%の酵母抽出物 − 3重量%の液状デンプン糖(liquid starch sugar) − 1ml/lの微量の鉄(iron trace) 発酵条件: − 温度:30℃ − 酸素飽和度:20% − pH調節:pH7 − スタート(t0h):接種量50,000細胞/ml;バッチ方式による培養 − 連続発酵の開始:t51hでD=1; − 連続発酵の継続:t78hからD=1.5;t98hからD=2.4 培養開始時に、培地に約50,000個の細胞を接種し、細胞集団が増殖期の
終点及び定常期に入る直前になるまで、この開始カルチャーをバッチ法により培
養した。この時点[この実施例では接種後51時間(t51h)]で発酵を連続反 応へ切換えた。即ち、細胞含有培地を連続除去し、同量の無細胞培地を加えた。
連続発酵の開始時は、細胞抽出又は希釈率(=1日あたりの培地交換量/発酵槽
の稼動量をD=1とした。つまり、1日につき、発酵槽(2リットル)の全量を
一度交換し、繊毛虫含有培地2リットルを得た。この培地は1mlあたり約10
0万個の細胞を含有した。
の繊毛虫含有培地を得た。細胞密度は細胞数約100万個/mlでほとんど変わ
らなかった。さらに20時間後(接種後98時間=t98h)、細胞抽出率又は希 釈率をさらにD=2.4へ増加させた。即ち、1日あたり約5リットルの繊毛虫
含有培地を得た。細胞密度は、前と同じように、細胞数約100万個/mlでほ
とんど変わらなかった。
を連続的に抽出しても、繊毛虫は希釈されずに永続的かつ連続的に増殖すること
が明らかである。換言すれば、比較的高い細胞抽出(D=2.4)でも、培養物
は細胞抽出と細胞増殖との動的平衡状態にあった。実施例2 :テトラヒメナ・サーモフィラ(thermophila)の連続発酵 テトラヒメナ・サーモフィラを以下の条件下で、Biostat MDタイプ
(Braun Biotech.Melsungen)の2リットル発酵槽で培
養した。 培地:以下のものを水に加える。 − 5g/lのプロテオースペプトン − 1g/lの酵母抽出物 − 1ml/lの微量の鉄 − 1重量%の液状デンプン糖の形態のグルコース 発酵条件: − 温度:30℃ − 酸素飽和度:20% − pH調節:pH7 − スタート(t0h):接種量50,000細胞/ml;バッチ方式による培養 − 連続発酵の開始:t45hでD=1.2; − 連続発酵の継続:t178hからD=2.4;t198hからD=3 この方法は、ほぼ実施例1の記載通りに実行した。
示されたプロットから、細胞抽出又は希釈率のD=1.2からD=2.4への増
加(同一2検体)により細胞密度が細胞数約100万個/mlから細胞数約50
万個/mlへ減少(半減)したが、その後この細胞密度が比較的一定な状態を保
ち、細胞抽出又は希釈率をさらにD=2.4からD=3へ増加させてもそれ以上
減少しなかったことが明らかである。実施例3 :テトラヒメナ・サーモフィラ(thermophila)の連続発酵 培地:以下のものを水に加える。 − 20g/lの脱脂粉乳 − 10g/lのグルコース − 5g/lの酵母抽出物 − 1ml/lの微量の鉄 発酵条件: − 温度:30℃ − 酸素飽和度:20% − 撹拌装置:2と同じ。酸素調節用カスケード(cascade) − pH調節:pH7 − スタート(t0h):接種量50,000細胞/ml;バッチ方式による培養 − 連続発酵の開始:t20hでD=1.125; − 連続発酵の継続:t68hからD=1.9;t139hからD=4.14; t168hからD=4.94 この方法は、ほぼ実施例1の記載通りに実行した。
示されたプロットは、連続発酵の開始時に、細胞密度が最初の細胞数約100万
個/mlから細胞数約60万個/mlへ減少したことを示す。しかしながら、細
胞抽出又は希釈率が上昇しても、細胞集団は1.5日(約36時間)以内に回復
し、連続発酵の開始から約4日(90時間)後、再びその最初の細胞密度である
細胞数100万個/mlに再び達した。細胞抽出又は希釈率がさらにD=4.1
へ、最終的にはD=4.9へ増加しても、実測値は決してこの数値以下にはなら
なかった。
結果を示す。このプロットは、本質的に細胞増殖の曲線に本質的に平行となるが
、細胞増殖が個々の繊毛虫細胞の細胞サイズ又は細胞量を犠牲にして起こるので
はなく、より多くのバイオマスが実際に産生されていることを示す。
MDタイプ(Braun Biotech.Melsungen)の2l発酵槽
で培養した。 培地:以下のものを水に加える。 − 20g/lの脱脂粉乳 − 10g/lのグルコース − 5g/lの酵母抽出物 − 1ml/lの微量の鉄 発酵条件: − 温度:25℃ − 酸素飽和度:20% − 撹拌装置:108rpm − pH調節:pH7 − スタート(t0h):接種量50,000細胞/ml;バッチ方式による培養 − 連続発酵の開始:t114.75hでD=0.665; − 連続発酵の継続:t140hからD=0.632;t159hからD=0.462 この方法は、ほぼ実施例1の記載通りに実行した。
Claims (14)
- 【請求項1】 複合無菌培地において繊毛虫細胞を培養することを含む、生
物由来の貴重物質を含有するバイオマスが連続細胞抽出により得られる、繊毛虫
(原生動物)の連続大量培養を用いて生物由来の貴重物質を生産する発酵法。 - 【請求項2】 前記繊毛虫が、Holotricha、Peritrich
a、Spirotricha及びSuctoriaの生物分類群の1つ、特にT
etrahymena、Paramecium、Colpoda、Glauco
ma、Parauronema、Engelmanniella、Stylon
ichia、Euplotes及びColpidiumの目に属し、野生株だけ
でなく、これらの株の突然変異体及び/又は組換え体を包含する、請求項1に記
載の発酵法。 - 【請求項3】 撹拌又は泡沫カラム、又はエアリフト発酵槽において発酵が
実行される請求項1又は2に記載の発酵法。 - 【請求項4】 pH4〜pH9の範囲のpH、及び/又は約15〜約40℃
の範囲の発酵温度で発酵が実行される、請求項1〜3に記載の発酵法。 - 【請求項5】 グルコース、フルクトース、キシロース、スクロース、マル
トース、デンプン、フコース、グルコサミン、ラクトース、糖蜜、デキストラン
、脂肪酸(例えば、オレイン酸)、大豆油、ひまわり油、グリセロール、グルタ
ミン酸、マンニトール、脱脂粉乳及び酢酸塩からなる群からの1つ又はそれ以上
の物質を含む炭素源を培地が含有する、請求項1〜4に記載の発酵法。 - 【請求項6】 炭素源の濃度が培養基に対して約0.2〜約20重量%の範
囲の値を有する、請求項5に記載の発酵法。 - 【請求項7】 ペプトン、酵母抽出物、麦芽抽出物、肉抽出物、脱脂粉乳、
カサミノ酸、コーンスティープリカー、グルタミン酸ナトリウム、尿素、酢酸ア
ンモニウム、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム及び硝酸アンモニウムからな
る群からの1つ又はそれ以上の物質を含む窒素源を培地が含有する、請求項1〜
6に記載の発酵法。 - 【請求項8】 窒素源の濃度が培養基に対して約0.1〜約10重量%の範
囲の値を有する、請求項7に記載の発酵法。 - 【請求項9】 少なくとも1つのリン酸源、好ましくはリン酸カリウム及び
/又はリン酸二水素カリウムを培地が含有する、請求項1〜8に記載の発酵法。 - 【請求項10】 硫酸アンモニウム、硫酸ナトリウム、マグネシウム、鉄、
銅、カルシウム、ビタミン、微量元素からなる群からの1つ又はそれ以上の物質
を培地が含有する、請求項1〜9に記載の発酵法。 - 【請求項11】 繊毛虫の餌生物の死滅バイオマスを培地が含有する、請求
項1〜10に記載の発酵法。 - 【請求項12】 細胞抽出物(採取されたバイオマス)に含有される細胞が
、遠心分離及び/又は限外濾過及び/又はマイクロ濾過及び/又は沈降法及び/
又は浮上法により培養基から分離される、請求項1〜11に記載の発酵法。 - 【請求項13】 細胞抽出率又は希釈率(1日あたりの交換量/発酵槽の稼
動量)が、0.1〜12の範囲の値を有する、請求項1〜12に記載の発酵法。 - 【請求項14】 生物由来の貴重物質が、ペプチド及びタンパク質、特に酵
素、脂肪酸及び脂質、多糖類、核酸、二次代謝物及びポリマーからなる群からの
1つ又はそれ以上の物質であるか、又はバイオマスそのものが貴重物質(例えば
動物飼料)である、請求項1〜13に記載の発酵法。
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