JP2020054334A - 微生物タンパク質を得るための共棲菌 従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株 - Google Patents

微生物タンパク質を得るための共棲菌 従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株 Download PDF

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Abstract

【課題】微生物タンパク質生産者の共棲菌として、従属栄養細菌が存在する際の天然ガスにおけるメタン酸化細菌の培養について、生産効率を上げ、高い生産性を得る方法を提供する。【解決手段】メタン酸化細菌および従属栄養細菌を含んだ共培養によりタンパク質バイオマスを得るための従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株を開示する。本菌株を、メタン酸化細菌との共培養成分として使用することで、微生物タンパク質を得ることができる。【選択図】なし

Description

本発明は、微生物産業に関するものであって、とりわけメタン酸化細菌および従属栄養細菌を含んだ共培養によりタンパク質バイオマスを得るための従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1の菌株に関するものである。微生物タンパク質は、農業における家畜飼料として、また高度な加工のための原料としても利用できる。
ロシアにおける今日の飼料用タンパク質の生産は、全体的に良い状況ではない。ロシア大統領が署名した、食料自給率を80〜90%にするためのドクトリンに従うと、飼料製品の不足は少なくとも年間二百万トンにおよぶ可能性がある。
タンパク質製品の主要な原料は大豆かすである。しかしながら、我が国の自然条件は、十分な量の大豆の栽培には向いていない。したがって、この分野に従事する者は飼料用タンパク質を生産するためのその他の方法を探さなければならない。
飼料バイオマスの生産者のうち、様々な基質において生育することができる様々な分類群の微生物は知られている。
酵母が質量の60%以下のタンパク質しか蓄えない一方で、細菌は質量の79%のタンパク質を蓄えるため、飼料用タンパク質の生産者として細菌を利用することは、酵母を利用することよりも効率がよい。
タンパク質およびバイオマスの生産者として、メタノールをもとにタンパク質を生産する細菌株およびアセトバクター属であるAcetobacter methylicum VSB−924 CMPM V−2942(ロシア国特許第116363号、C12No.15/00、1984年)(特許文献1) 、 Acetobacter methylicum VSB−867 CMPM V−1947(ロシア国特許第925112号、C12No.15/00、1982年)(特許文献2)、 Acetobacter methylovorans VSB−914 CMPM V−2479(ロシア国特許第1070916号、C12No.15/00、1983年)(特許文献3)が利用されている。これらすべての菌株は、絶対乾燥物に対するタンパク質含有率が76%までおよぶという特徴を持つ。
これらの菌株の典型的なファージに対する感度や耐熱性は様々に異なる。Acetobacter methylicum VSB−867にとっての最適な成長温度は28℃〜30℃であり、Acetobacter methylicum VSB−924にとっては30〜36℃、Acetobacter methylovorans VSB−914にとっては36〜40℃である。
しかし、小麦ふすまおよび/または小麦粉を用いた発酵槽内でのpH6.0以下の酸性培養基による非滅菌培養においては、実験が示すとおり、酵母および菌類による汚染が素早く起こり、そして全細胞数の30〜40%以上において生産者の置換反応が起こった。その結果、得られた製品のタンパク質含有レベルに大幅な低下が起こる。
完全な飼料タンパク質製品を得る方法として見込みのあるものの一つに、メタン酸化細菌を利用する方法がある。メタン資化性細菌は、自身に適した条件下において天然ガスのメタンを活発に変換し、素早く増殖して、有用なタンパク質およびビタミンその他の生物活性化合物を豊富に含んだバイオマスを作る。
単細胞タンパク質を得るために天然ガスのメタンを利用することは、液体炭化水素およびその他の基質と比較していくつもの優位性を持つものであり、とりわけ天然ガスの埋蔵量の多さ、可搬性の高さ、基質からさらに精製することなく飼料用タンパク質が得られるといった優位性が挙げられる。
ロシアでは地中ガスの埋蔵量が多く、複数のデータによると世界の埋蔵量の40%にもおよぶ量があるとされることを考慮すると、微生物を利用した単細胞タンパク質の生産を導入することは、ロシアの企業に経済効果をもたらすことができるだけでなく、国内の食糧の安定を確保することにも寄与する。
絶対メタン酸化細菌は基質特異性の高くない酵素メタンモノオキシゲナーゼを含んでおり、メタンだけでなく、天然ガスに含まれるメタンの同族体(たとえばエタン、プロパンおよびブタン)をも酸化することができる。
天然ガスの成分、メタン酸化細菌の種の特性および培養条件によっては、酸化が不完全なメタンおよびメタンの同族体の生産物の中に、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、エタノール、アセトアルデヒド、アセテート、プロピオンアルデヒド、プロピオン酸、オイルアルデヒドが様々な割合で培養基中に存在することがある。これらの生産物が特定の濃度で培養基内に蓄積されると、メタン酸化培養菌およびメタンの酸化に阻害作用を及ぼす。
飼料用バイオマスの生産者であるMethylococcus capsulatus VCB−874菌株は知られている。菌株は、「全ロシア遺伝学および産業微生物品種改良研究所」の培養コレクションの中に、コレクション番号「CMPM V1743(Авт. свид.誌 ソ連 第770200号)(非特許文献1)」として保管されている。この菌株は炭素源およびエネルギー源としてメタンを利用しており、純粋なメタンであっても天然ガス中の成分としてのメタンであっても利用する。この菌株の欠点は、メタン同族体の共酸化において生成される生産物に対する感度が高いことであり、前記生産物は、大量なことも少量なこともあるが、必ず天然ガスの中に存在するものである。生成される生産物は、生産者の生育を阻害する。
ポリヒドロキシアルカノエートの生産者であるCupriavidus eutrophus VKPM V−10646(ロシア国特許第2439143号)(特許文献4)は知られている。成長基質としてグルコースまたはフルクトース、または3-酪酸、または水素、酸素および二酸化炭素の混合ガスを利用する。
技術的本質および達成される結果が最も近いものが、全ロシア産業微生物集登録番号VKPM V−12549の、微生物タンパク質を得るためのメタン酸化細菌Methylococcus capsulatus GBS−15の菌株(ロシア国特許第2613365号)(特許文献5)である。
ロシア国特許第116363号明細書 ロシア国特許第925112号明細書 ロシア国特許第1070916号明細書 ロシア国特許第2439143号明細書 ロシア国特許第2613365号明細書
本発明の目的は、微生物タンパク質生産者の共棲菌として従属栄養細菌が存在する際の天然ガスにおけるメタン酸化細菌の培養について、生産効率を上げ、高い生産性を得ることである。
本発明の技術的結果は、メタン酸化細菌の共棲菌であり、天然ガス中にあるメタン同族体の共酸化による生産物を利用することができ、同様に細菌の溶解過程でできるタンパク質、アミノ酸、多糖類を利用することのできる、新しい菌株を明らかにすることである。
本発明の技術的結果は、ロシア科学アカデミー G.K.スクリャビン記念生化学生理学研究所付属 全ロシア微生物コレクションに登録番号VKM B−3265Dとして寄託された従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1が、微生物タンパク質を得る目的で、メタン酸化細菌の共培養菌として利用される際に達成される。
供託者が与えられた菌株の符号がGBS-15-1である。
Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株は、天然ガスをもとに家畜飼料用飼料バイオマスを工業的に生産するためのメタン酸化細菌の共培養菌の一つとして、また高度な加工のための原料として利用できる。
本発明のCupriavidus gilardii GBS−15−1菌株は、メタン酸化細菌Methylococcus capsulatus GBS−15を含む共培養から抽出される。成長の早い混合培養細菌を得るために、ロシア連邦内の天然ガスおよび石油産出地域の地下水から抽出された活発な蓄積培養菌の混合物を使用した。その結果、工業的環境でメタン酸化細菌を天然ガス中で培養する際の培養菌としても、また様々な共培養の構成要素としても利用できる菌株が得られた。
細菌株は、鉱物培養基における発酵の際にメタン酸化細菌の主たる生産者の共培養菌として成長し、生産者にとって最適な物理化学的環境において、天然ガス中に存在するメタン同族体による共酸化の生産物、また主たる生産者の物質代謝による生産物を必要とする。
細菌株は、遺伝子の組み換えがなされていないものである。
Cupriavidus gilardii種は、病原性分類第1〜4グループ(衛生疫学規則 SP 1.3.2322−08「病原性(危険性)分類第III−IVグループの微生物および寄生虫病の病原体を使用する作業の安全性」添付資料第1号「人間に対する伝染病をもたらす病原性微生物、原虫類、寄生虫、生物由来毒の病原性による分類」、2011年6月29日付ロシア連邦国家衛生医師長認定第86号 追加と改訂第2号)のリストに載っていない。
Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株は、非病原性であり、毒素産生性がなく、毒性がなく、無害である。
得られた従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1の菌株は、以下のように特徴づけられる。
培養および形態学的特徴:グラム陰性である。栄養寒天(pH7.0〜7.2)上で、不透明、明るいクリーム色、直径2〜4mm、平坦な端部を持ち、柔らかい固体であり、寒天から容易に剥がすことのできるコロニーを形成する。細胞の形状は0.3〜0.5×0.9〜1.2μmの長さを有する棹状であり、芽胞を形成しない。
生理学生化学的特徴:菌株は30〜47℃の温度帯で成長し、最適な成長温度は32〜35℃である。生理作用の限界pHは5.0〜7.2の範囲である。最適なpH帯は6.8〜7.0である。絶対好気性細菌。培養条件および培養基の変動、すなわち炭素源の変更、培養基の活性反応値の上下変動、温度の上昇、流速変動(0.15〜0.42 h−1)においても自身の特徴を安定的に保持する。能力において幅広い可能性を有している。炭素源として糖、アミノ酸、有機酸、アルコールを利用する。窒素源として硝酸塩、アンモニウム塩、アミノ酸を利用する。特異的な成長因子を要求しない。
培養に推奨される培養基および条件:
案1:鉱物培養基
鉱物培養基(培養基成分、g/l):(NHSO 0.52、MgSO 0.02、KSO 0.06、NHPO 1.53。微量元素溶液(別途調合)(г/л):ZnSO 0.43、MnSO 0.88、CuSO 0.78、HBO 0.4、NaMoO×2HO 0.25、CoSO×7HO 0.25、FeSO×7HO 4.97。調合済みの微量元素溶液1mlを1000mlの鉱物培養基に加える。
121℃で15分間殺菌する。pHを6.0〜6.2にする。基質(炭素源およびエネルギー源)としてメタノール(1.5体積%未満)、エタノール(2体積%未満)、プロパノール(1体積%未満)を使用することができる。培養温度 32−35℃、好気培養。
案1:栄養寒天もしくは栄養液
栄養寒天 成分(調合済み培地1リットル換算):乾燥タンパク質酵素加水分解物 10.5g、発酵培地用乾燥ペプトン 10.5g、濾過ずみ自己消化酵母エキス 2.0g、塩化ナトリウム 5.0g、微生物培養寒天 12.0g。121℃で15分間殺菌する。
栄養液 成分(調合済み培地1リットル換算):乾燥タンパク質酵素加水分解物 9.1g、発酵培地用乾燥ペプトン 9.9g、濾過ずみ自己消化酵母エキス 4.7g、塩化ナトリウム 5.0g、炭酸ナトリウム 0.3g。
菌株は栄養寒天上で保管(温度4±2℃)、三か月に一度移植を実施、菌株は凍結乾燥状態でも液体窒素内でも保存が可能。
本発明の菌株の特徴
−様々な成分の培養基において安定的かつ生産的に成長する
−凍結乾燥状態で長期間活性を保つことができる
−非病原性かつ毒素産生性や毒性がなく、無害である
菌株は、天然ガス中で成長するメタン酸化細菌によりタンパク質ビタミン濃縮飼料を製造する分野において利用される。
従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1は、天然ガスのメタンと鉱物培養基においてメタン酸化細菌Methylococcus capsulatus GBS−15とともに共培養され、その際にメタン酸化細菌は唯一の炭素源およびエネルギー源として天然ガスのメタンを利用する。同時にメタン酸化細菌は、メタン資化性菌の成長を阻害する生産物を生成するメタン同族体(C、C、C)を共酸化する。Cupriavidus gilardii GBS−15−1は、生成される生産物(メタノール、エタノール、プロパノール)を炭素源として使用し、それにより主たる生産者に対する阻害作用を取り除く。この他にも、従属栄養体は主たる生産者の溶解プロセスにおいてできるタンパク質、アミノ酸、および多糖類を利用することができる。
培養は、主に連続的な方法で、最適な環境であるpH5.6〜5.8および温度42〜45℃において、天然ガスと酸素含有ガスの混合気体に培養基を曝気して行われる。培養基に、全細胞数の0.1〜0.15%の数の従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1を植え付ける。バイオマスの一定濃度が32g/lまでであれば、共培養菌中のメタン酸化細菌Methylococcus capsulatus GBS−15の含有割合は85〜99.9%とする。メタン酸化細菌は天然ガスのメタンにより増殖し、共培養の他方の要素は天然ガス中のメタン同族体の共酸化の生産物およびメタン資化性菌の細菌活動による生産物により増殖する。
メタン酸化細菌とメタンを利用しない従属栄養細菌は、種菌の培養を前提とした通常の方法で事前にそれぞれ別に採取され、同時に栄養培養基に植え付けされる。その際に植え付けられる従属栄養細菌でありメタンを酸化しない細菌の数は、全体の細胞数の0.1〜15%の範囲とする。共培養の過程において、共培養菌の含有レベルは、最初の植え付け量に関係なく、ガス中にあるメタンのガス状同族体の共酸化の結果生み出され利用できる生産物の数により決まる。それは、鉱物培養基においては、メタンを利用しない共培養要素にとっての唯一の炭素源が、これらの生産物となるからである。培養菌がこのような自己調整を行うため、培養の最初の植え付けにおける培養細胞の割合は重大な意味を持たないが、加える非メタン酸化微生物の数は、全体の細胞数の0.1%以上15%以内にすることを推奨する。この範囲を外れた場合、第一にメタン酸化細菌の生育の停滞へとつながり、第二に従属栄養細菌の成長の停滞へとつながる。メタンを資化しない細菌を選んで加えた混合培養では、メタン酸化細菌だけの純粋培養に比べてバイオマスの生産量が3〜5倍に増大した。このように、メタン同族体の共酸化の生産物によって生育し、メタンを資化しない従属栄養体を選んでメタン酸化細菌に加えることで、メタンにおけるバイオマス生産量を増大させることができる。たとえメタンを資化しない従属栄養体を高濃度で取り入れても、培養菌の成長において得られる炭素源すなわちメタン同族体の共酸化の生産物の数によりその含有量は制限を受け、通常では全体の細胞数の1〜1.5%を超えないため、メタンを酸化しない従属栄養細菌を加えることはバイオマスの質に影響を与えない。
本発明は、以下の例で実施することができる。
例1 Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株を培養する液体の鉱物培養基の成分(g/l):(NHSO 0.52、MgSO 0.02、KSO 0.06、NHPO 1.53。
培養基を121℃で15分間殺菌する。
微生物溶液(培養基とは別に調合し、殺菌する)(g/l):ZnSO 0.43、 MnSO 0.88、CuSO 0.78、HBO 0.4、NaMoO×2HO 0.25、CoSO×7HO 0.25、FeSO×7HO 4.97。調合済みの微生物溶液1mlを1000mlの鉱物培養基に加える。pHを6.0〜6.2にする。基質(炭素源およびエネルギー源)として、メタノール0.5%を使用する。
菌株の培養は期間を定めた方法で、耐熱ガラス製のフラスコ内で、充填率0.3〜0.4の際に1リットルの容量で、恒温振とう培養機内で行われる。培養は35℃およびpH6.8において48時間行われる。培養終了時の乾燥物濃度は、1リットル当たりの絶対乾燥物2-2.5gとなる。得られた培養菌は、容量10リットル(実働容量7リットル)の自動発酵システムまたは容量40リットル(実働容量28リットル)の排出型発酵槽において、その後の細菌培養のための種菌として使用される。
例2 Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株の培養が例1と同様に行われるが、炭素源およびエネルギー源としてエタノール0.8%が使用され、また栄養培養液として以下の成分を含む(培養液1リットル換算):乾燥タンパク質酵素加水分解物 9.1g、発酵培地用乾燥ペプトン 9.9g、濾過ずみ自己消化酵母エキス 4.7g、塩化ナトリウム 5.0g、炭酸ナトリウム 0.3g。物理化学的条件および培養時間は同じであり、乾燥物濃度は、1リットル当たりの絶対乾燥物4gとなる。
例3 Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株が、全体に対する濃度が0.5%となる量のブタノールを加えた培養液で培養される。菌株の培養は期間を定めた方法で、耐熱ガラス製のフラスコ内で、充填率0.3〜0.4の際に1リットルの容量で、恒温振とう培養機内で行われる。培養は35℃およびpH6.8において48時間行われる。培養終了時の乾燥物濃度は、1リットル当たりの絶対乾燥物2.5〜3.0gとなる。得られた懸濁液は、8000グラムの場合7分間遠心分離される。その後沈殿物を少量の生理食塩水の中で再度遠心分離し、容量10リットル(実働容量7リットル)の自動発酵システムまたは容量40リットル(実働容量28リットル)の排出型発酵槽におけるその後の細菌培養のための種菌として使用される。
例4 メタン酸化細菌Methylococcus capsulatus GBS−15および従属栄養細菌Stenotrophomonas acidaminiphila GBS−15−2で構成される共培養を、容量10リットル(実働容量7リットル)の自動発酵システムの中で、下記の構成の鉱物培養基において行う。(単位g/l)HPO(80%) 17.2、 KSO 5.0、MgSO×7HO 4.0、FeSO×7HO 0.21、CuSO 0.78、MnSO×4HO 0.38、ZnSO×7HO 0.06、HBO 0.25、NaMoO×2HO 0.009、CoSO×7HO 0.0095
窒素源および滴定剤としてアンモニア水が供給される。培養プロセスは40〜45℃、pH5.0〜6.0において、メタンおよび酸素を含む混合気体を常時供給しながら進められる。バイオマス濃度が、1リットル当たりの絶対乾燥物10gに達したところで、培養基の希釈率D=0.25 h-1の連続培養プロセスに移行する。バイオマス濃度が、1リットル当たりの絶対乾燥物15gである際に、Methylococcus capsulatus GBS−15の支配率は90%となった。

Claims (1)

  1. 登録番号VKM B−3265Dとしてロシア科学アカデミー G.K.スクリャビン記念生化学生理学研究所付属 全ロシア微生物コレクションに供託された従属栄養細菌Cupriavidus gilardiiの菌株であって、微生物タンパク質を得るためのメタン酸化細菌との共培養成分としての細菌株。
JP2019115161A 2018-10-02 2019-06-21 微生物タンパク質を得るための共棲菌 従属栄養細菌Cupriavidus gilardii GBS−15−1菌株 Active JP6966096B2 (ja)

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