JP5066385B2 - アスタキサンチン産生細菌、細菌培養物およびアスタキサンチンの製造方法 - Google Patents

アスタキサンチン産生細菌、細菌培養物およびアスタキサンチンの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、アスタキサンチン産生能を有するエリスロバクター(Erythrobacter)属の細菌、該細菌を用いて得られる細菌培養物およびアスタキサンチン含有組成物、並びに該細菌を用いるアスタキサンチンの製造方法に関する。
カロチノイド色素であるアスタキサンチンは、マダイ、サケなどの魚類、カニやエビなどの甲殻類に広く分布している。また、微生物が生産する例として、緑藻Heamatococcuspluvialisが最も有名である。その他にも、赤色酵母Xanthophyllomyces dendrohous (旧Phaffia rhodozyma)が挙げられる。Heamatococcus pluvialisが生産するアスタキサンチン量は43mg/g dry weight程度であることが知られている(非特許文献1)。また、赤色酵母Xanthophyllomyces dendrohous(旧Phaffia rhodozyma)においては、0.4mg/g dry weightの産生量が報告されている(非特許文献2)。
原核細胞である細菌は、広い基質利用能力を有し、簡単な培養で高い生育速度を示し、上記酵母のような厚い細胞壁を有しないことから、有用物質生産において最も期待される微生物の1つである。細菌におけるアスタキサンチン生産では、Escherichia coliの遺伝子組換え体により、1.4mg/g dry weightが達成されている(非特許文献3)。また、Bacillus firmusを用いた方法では、0.05mg/g dry weightが達成されている(非特許文献4)。更に海洋細菌Paracoccus sp.MBIC1143において、0.14mg/g dry weightが報告されている(非特許文献5)。しかしながらこれらの遺伝子組替え体によるアスタキサンチンの生産は、現在のところ発現量の点などにおいて問題がある。
一方で、天然物からの分離によるアスタキサンチン製造では、オキアミや甲殻類から抽出するため、抽出効率が低い為に抽出量が低く、コストが高くなるという問題がある。また、天然資源の減少から資源の確保の点でも商業的に問題がある。
アスタキサンチンは、多くの生理活性を有しておりサプリメント食品などで販売されている。また、タイやサケなどの養殖魚では、その色調をより天然のものに近づけるために、アスタキサンチンを配合した飼料(色揚げ飼料)が用いられている。
近年の天然資源の減少により養殖による天然資源の生産が期待されている。魚介類の人口種苗生産において対象魚種に対して高い餌料効果や付加価値を添加する飼料が求められている。タイやニジマスなどの体色の鮮やかさが必要となる魚種には、アスタキサンチンなどの色素を配合した飼料が使用されている。
色揚げ用飼料添加物としてのアスタキサンチンは、カロリーピンク(合成アスタキサンチン)としてロッシュ社から販売されているが、トレーサビリティーの問題や天然物志向の中で、天然物アスタキサンチンが注目を受けている。これまで、色揚げ用天然物アスタキサンチンは、緑藻Heamatococcus pluvialisや赤色酵母Xanthophyllomyces dendrohousが利用されているが、着色が十分でないなどの問題があった。緑藻Heamatococcus pluvialisや赤色酵母Xanthophyllomyces dendrohousは、自身の細胞壁が厚く対象魚種の消化・吸収率が低い。このため、吸収率が高い新たな微生物が求められている。
細菌は、細胞壁が薄く増殖が速い特徴を持っている。そこで、アスタキサンチンを産生する細菌が検索され、フラボバクテリウム属、アルカリゲネス属、シュードモナス属、アルテロモナス属、ピポモナス属、カリオファノン属、エリスロバクター属、パラコッカス属がすでに知られている。
リー及びソー(Lee,Y.−K.and Soh,C.−W.)、「ジャーナル・オブ・ファイコロジー(J.Phycol.)」、米国、1991年、第27巻、第3号、p.575−577 フローレス-コテラら(Flores−Cotera,L.B.et al.)、アプライド・マイクロバイオロジー・アンド・バイオテクノロジー(Appl.Microbiol.Biotechnol.)、米国、2001年、第55巻、第2号、p.341−347 ワンら(Wang,C.−W.et al.)、バイオテクノロジー・アンド・バイオエンジニアリング(Biotechnol.Bioeng.)、米国、1999年、第62巻、第3号、p.235−241 ヨコヤマら(Yokoyama et al.)、バイオサイエンス・バイオテクノロジー・アンド・バイオケミストリー(Bioscience,Biotechnology,and Biochemistry)、米国、1994年、第58巻、第10号、p.1842−1844 ペインら(Pane,L.et al.)、ジャーナル・オブ・バイオロジー・リサーチ(J.Biol.Res.)、米国、1996年、第22巻、p.303−308
本発明は、酵母や藻類のような厚い細胞壁を有さず、アスタキサンチンを産生できる細菌、該細菌を用いて得られる細菌培養物およびアスタキサンチン含有組成物、並びに該細菌を用いるアスタキサンチンの製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決する為に、
請求項1に記載の発明は、エリスロバクター(Erythrobacter)属JPCC O種1884(NITE BP−341)株である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の細菌を培養して得られる細菌培養物である。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の細菌を培養する工程を有するアスタキサンチンの製造方法である。
本発明の新規の細菌及びその培養物を使用すれば、有用色素であるアスタキサンチンの産生を行うことが可能である。さらに本発明のアスタキサンチン含有組成物、アスタキサンチンの産生方法によれば、有用色素であるアスタキサンチンを効率的に産生することが可能になり、従来のアスタキサンチン含有飼料よりもアスタキサンチン含有量の多い色揚げ用餌料等の飼料を効率よく調製できる。
以下、本発明について詳しく説明する。以下、「エリスロバクター(Erythrobacter)JPCC O種1884株」のことを「エリスロバクターJPCC O種1884株」又は「JPCC O 1884株」と略記することがある。また、本発明において、アスタキサンチンとは、その構造異性体(シス体)も含むものとする。また、以下「構造異性体」とは、べて「シス体」のことを指す。
<エリスロバクターJPCC O種1884株の獲得>
海洋環境やマングローブ林より採取した海砂、泥、水などからアスタキサンチンを産生する微生物の獲得を試みた。酵母エキスを5.0g/l、ペプトンを1.0g/l、グルコースを5.0g/lをとなるようにそれぞれ人工海水(千寿製薬)に添加して作製した寒天プレートに、100μlのサンプルを塗布した。
25℃の条件下で7〜10日間静置培養を行い、オレンジ、赤色のコロニーを形成する海洋微生物を獲得した。これらの微生物を単菌化するため、5mlの上記成分を含む液体培地中に獲得した海洋微生物を植菌し、震とう培養(150rpm)を行い生育させ、寒天プレートに塗布し、コロニーを形成させる操作を繰り返すことで単菌化した。
約800株の海洋細菌からなる菌体粉末0.3mgからクロロホルム:メタノール=1:1(v:v)の溶液で色素を抽出し、アスタキサンチンのスクリーニングを行った。
アスタキサンチンの有無については、TLC(薄層クロマトグラフィー)を用いて評価した。その結果、アスタキサンチンをはじめとする各種カロチノイド色素を産生する株を同定し、エリスロバクターJPCC O種1884株を獲得した。
エリスロバクターJPCC O種1884株は、2007年4月9日付けで受託番号NITE P−341として、独立行政法人製品評価技術基盤機構特許生物寄託センターへ寄託されている。
<エリスロバクターJPCC O種1884株の同定>
エリスロバクターJPCC O種1884株の同定は、株式会社テクノスルガに委託して実施した。前記方法で獲得した検体を用いて、「形態的性質」、「培養的性質」、「生理学的性質」、「糖類からの酸生成/ガス酸性」および「その他の生理学的性質」を確認し、「塩基配列」の同定および系統解析を行った。「形態的性質」を表1に、「培養的性質」を表2に、「生理学的性質」を表3に、「糖類からの酸生成/ガス酸性」を表4に、「その他の生理学的性質」を表5に、「16SrDNAの塩基配列」を配列番号1にそれぞれ示す。
なお、表1〜5において、(1)ゼラチン液化、グラム染色性については、文献「BARROW,(G.I.) and FELTHAM,(R.K.A):Cowan and Steel’s Manual for the Identification of Medical Bacteria.3rd edition.1993,Cambridge University Press.」を参考にした。
また、(2)リトマス・ミルクでの培養条件、MRテスト、デンプンの加水分解、クエン酸の利用、無機窒素源の利用、カタラーゼ、オキシダーゼ、O−Fテスト(酸化/発酵)、糖類からの酸生成/ガス酸性については、文献「坂崎利一、吉崎悦郎、三木寛二:新細菌培地学講座・下,第二版.1998,近大出版,東京」を参考にした。
また、(3)硝酸塩の還元、脱窒反応、VPテスト、インドール産生、硫化水素の生成、ウレアーゼ活性、その他の生理学的性質については、「細菌同定キットAPI20E,(bioMerieux,France)」を使用した。
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(塩基配列)
エリスロバクターJPCC O種1884株の16SrDNAを、公知の方法により同定した結果、配列番号1に示す塩基配列であることが判った。
(系統解析)
解析ソフトウェアとしてCLUSTAL W(THOMPSON(J.D.),HIGGINS(D.G.) and GIBSON(T.J.),Nucleic Acids Research,1994,22:4673−4680.参照)、MEGA ver3.1(KUMAR,(S.),TAMURA,(K.) and NEI,(M.),Briefings in Bioinformatics,2004,5,150−163.参照)を用い、得られた16S rDNAの塩基配列を、アポロンDB細菌基準株データベース(株式会社テクノスルガ)、国際塩基配列データベース(GenBank/DDBJ/EMBL)から取得した塩基配列情報と照合して、分子系統解析を行った。その結果得られた分子系統樹を図1に示す。
得られた検体は、α−プロテオバクテリア(α−Proteobacteria)に属する桿菌で、カタラーゼおよびオキシダーゼを有する偏性好気性細菌である。
そして、BLAST(ALTSCHUL,(S.F.),MADDEN,(T.F.),SCHAFFER,(A.A.),ZHANG,(J.),ZHANG,(Z.),MILLER,(W.),and LIPMAN,(D.J.),Nucleic Acids Research,1997,25:3389−3402.参照)を用いた細菌基準株データベースに対する相同性検索の結果、検体の16SrDNAの塩基配列は、エリスロバクター アクイマリス(Erythrobacter aquimaris)SW−110株の16SrDNAの塩基配列に対し、97.8%と最も高い相同性を示した。また、国際塩基配列データベースに対する相同性検索においても、エリスロバクター由来の16SrDNAの塩基配列に対し高い相同性を示した。このことから、検体は、エリスロバクター属に含まれる可能性が高いと考えられた。
そして分子系統解析の結果、検体は、エリスロバクターの基準種であるエリスロバクター ロンガス(Erythrobacter longus)と系統枝を形成し、エリスロバクター ロンガスの系統枝におけるブートストラップ値は81%と比較的高く、その外側に位置するエリスロバクター アクイマリスの系統枝におけるブートストラップ値も80%を示すことから、これら3株の位置は比較的安定していると考えられた。このことから、検体は、エリスロバクターに含まれ、既知種ではエリスロバクター ロンガスやエリスロバクター アクイマリスに近縁と考えられるが、検体の16SrDNAの塩基配列は、これら2種の16SrDNAの塩基配列と完全には一致しておらず、検体とこれら2種の系統枝と、他のエリスロバクターに属する種の系統枝を比較すると、検体がこれら2種のどちらかと同種となる可能性は低いと考えられた。
以上より、分子系統解析の結果、検体はエリスロバクター属の新種(エリスロバクターJPCC O種1884株)であると判断された。
<アスタキサンチン産生細菌、細菌培養物、アスタキサンチン含有組成物およびアスタキサンチンの製造方法>
本発明の細菌は、16SrDNAの塩基配列が、配列番号1に示す塩基配列か、又は配列番号1に示す塩基配列と96%以上の相同性を有する塩基配列であるエリスロバクターJPCC O種の細菌を包含する。このような細菌は、エリスロバクターJPCC O種1884株と同種の株であると考えられるからである。16SrDNAの塩基配列が、配列番号1に示す塩基配列と96%以上の相同性を有する塩基配列であるエリスロバクターJPCC O種の細菌には、例えば、エリスロバクターJPCC O種1884株の16SrDNAの塩基配列に対して、化学物質を作用させる手法や遺伝子組み換え等の公知の手法で変異を導入することで得られた細菌も包含される。
また、産生する組成物中に占めるアドニキサンチン含有量が35質量%以上、アスタキサンチン含有量が5質量%以上であるエリスロバクター属に属する細菌も本発明の細菌である。後記するように、このような色素を高含有量で産生する細菌は、利用価値が高い。
本発明のアスタキサンチンの製造方法は、上記本発明の細菌(以下、「本細菌」と略記することがある)を培養する工程を有するものである。
本細菌を用いてアスタキサンチンを製造する方法を、以下に例示する。
本細菌を培養するための培地は、本細菌の生育に必要な炭素源、窒素源、無機塩、微量元素(ビタミン、微量金属)等を含むものであれば特に限定されない。
より具体的には、炭素源として、例えば、グルコース、シュークロース等の糖類、エタノールやグリセロールなどのアルコール類を挙げることができる。添加量は、添加する炭素源にもよるが、概ね0.5〜3.0質量%程度とすれば良い。
窒素源としては、例えば、硝酸ナトリウム、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸カリウム、塩化アンモニウム、尿素などの硝酸体窒素、アンモニア窒素体のいずれかとすることができる。添加量は添加する窒素源にもよるが、概ね0.01〜0.1質量%程度とすれば良い。
無機塩類としては、例えば、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、塩化カリウム、炭酸水素ナトリウム、ホウ素化カリウム、塩化ストロンチウム、ホウ酸、ケイ酸ナトリウム、フッ化ナトリウム、リン酸一カリウム、リン酸二カリウム、リン酸一ナトリウム、リン酸二ナトリウム、塩化鉄、塩化マンガン、硫酸マンガン、塩化マグネシウム、硫酸銅などを用いることができる。添加量は、添加する無機塩の種類にもよるが、0.001〜0.01質量%程度とすれば良い。
また、特殊な必要物質として、酵母エキス、ペプトン、トリプトンなどを用いることができる。これら特殊な必要物質の添加量は添加する物質にもよるが、0.01〜0.5質量%程度とすれば良い。
その他、本発明の効果を損なわない範囲において、培地にはその他の成分を含有させても良い。
本細菌の培養に用いる培地として、市販品を用いても良く、好ましいものとして、例えば、マリンブロス培地(Difco社製)が挙げられる。
本細菌の培養を行う際は、培地は公知の方法に従って滅菌しておくことが好ましい。
培地のpHは、6.0〜8.0に調整することが好ましい。そして、培養温度は20〜35℃であることが好ましい。培養時間は特に限定されないが、通常、2〜4日であることが好ましい。培養法としては、震とう培養または通気培養が好ましい。そして、培養中に培地は撹拌することが好ましい。培地への植菌量は特に限定されないが、0.1〜5容量%であることが好ましい。
次いで、培養された本細菌からアスタキサンチンを得る。例えば、本細菌を培養して得られる細菌培養物から直接、または遠心分離により回収された沈殿物より、有機溶媒でアスタキサンチンを抽出することができる。細菌培養物は、凍結乾燥などの手法により乾燥菌体としてから溶媒抽出に供しても良い。ここで用いる溶媒は、アスタキサンチンが十分に溶解するものであれば良く、一種の溶媒を単独で用いても良いし、複数種の溶媒を混合した混合溶媒でも良い。
より具体的には、極性の高いアセトン、メタノール、酢酸エチルや、ヘキサン、ジクロロメタン、クロロホルムなどの非極性溶媒を単独で、または混合して用いることができる。特に好ましい溶媒として、クロロホルムおよびメタノールの混合溶媒が挙げられる。これらの混合比は特に限定されるものではないが、クロロホルム:メタノール=0.5:1.5〜1.5:0.5(v/v)であることが好ましい。
さらに、シリカゲルなどの充填剤、抽出に用いたものと同様の溶媒を用いて、カラムクロマトグラフィーによりアスタキサンチンを精製しても良い。
得られた組成物中の成分は、例えば、その分析データを公知化合物の分析データと比較することで同定できる。分析法としては、構造に関するデータが取得できるものであればいずれでも良く、例えば、HPLC、IR、NMR、LC/MSなど通常汎用される分析法で良い。また、例えば、HPLCにより分析時に検量線を作成しておけば、得られた組成物中の各成分の含有量も定量できる。
本細菌から採取される組成物には、本細菌が産生した成分として、アスタキサンチン以外にも、β−カロチンがアスタキサンチンに変換される過程で生じる種々の有用なカロチノイド色素が含有される。前記組成物中に含有される色素として、具体的には、アスタキサンチン、アドニキサンチン、ゼアキサンチン、アドニルビン、カンタキサンチン、ハイドロエキネノン、β−クリプトキサンチン、エキネノン、β−カロチンなどが挙げられる。
なかでも、アスタキサンチンは、産生される全色素中の含有量が5質量%以上と高濃度である。また、通常のアスタキサンチン産生能を有する細菌が産生するアスタキサンチンは、ほとんどがトランス体であるのに対し、本細菌が産生するアスタキサンチンには、シス体が10質量%以上含まれている。
さらに、アドニキサンチンも、産生される全色素中の含有量が35質量%以上と特に高濃度である。
したがって、本細菌から採取された組成物は、通常のアスタキサンチン産生能を有する細菌が産生する組成物よりも有用性が高い。
本細菌を培養して得られる培養物、または本細菌の乾燥菌体、凍結菌体、溶媒抽出物、もしくは粉砕・破砕処理物を、動物プランクトンの培養物へ添加して捕食させ、これを回収することにより、アスタキサンチンを製造することもできる。この製造方法によれば、アスタキサンチン等のカロチノイド色素が濃縮された飼料を提供することも可能になる。
前記動物プランクトンとしては、例えば、ワムシ、アルテミア、ミジンコなどを挙げることができる。これらの動物プランクトンに、本細菌を捕食させることにより生物学的濃縮が行われ、その結果得られる動物プランクトンの培養物は、従来の細菌の培養によって産生されるアスタキサンチン等のカロチノイド色素に比較して、格段に濃縮されたものであり、その利用価値は高い。
動物プランクトンによる濃縮を利用したアスタキサンチン等の製造方法により得られる飼料は、養殖魚において好適に用いることができる。稚魚の中にはカロチノイド色素を含有する甲殻類プランクトンを摂餌しているものがあり、この摂餌により魚の色が影響されることが知られている。従って、これらの稚魚類を養殖する際に、上記方法で製造された飼料を色揚げ用飼料として給餌すると、動物プランクトンにより濃縮されたカロチノイド色素等を給餌することが可能になることにより、従来よりも効率的に魚の色揚げを行うことができる。
以下、具体的実施例により、本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
(エリスロバクターJPCC O種1884株の培養物からのアスタキサンチンを含むカロチノイド色素の分離)
エリスロバクターJPCC O種1884株の生育に必要な全ての栄養素を含むマリンブロス培地(Difco社製)を調製し、121℃で10分間滅菌処理した。次いで、1L三角フラスコにこの培地を250ml分取したのち、この株を5ml植菌して、150rpmで撹拌しながら30℃で3日間培養を行った。この培養液を遠心分離し、凍結乾燥を行い、0.5gの乾燥菌体を得た。この菌体にクロロホルム:メタノール=1:1(v:v)溶液を加えて色素を抽出後、シリカゲルをクロロホルム:メタノールの移動相に再懸濁させ、充填したオープンカラム(口径30mm、全長600mm)を用いて色素の分離を行った。
この株から抽出された色素は5つの画分に分けられた。そして各フラクション(フラクション1〜5)を分取し、HPLC(カラム:口径4.6mm、全長250mm)により分析した結果、フラクション2中に、公知のアスタキサンチンと同じベクトルを示す物質の存在が確認された。さらに、LC/MSを用いた分析においても、公知のアスタキサンチンのデータと一致するデータが得られた。
フラクション2と同様に、その他のフラクション(フラクション1、3、4および5)を分取し、HPLCおよびLC/MSを用いて分析した結果、アスタキサンチン、アドニキサンチン、ゼアキサンチン、アドニルビン、アスタキサンチン構造異性体、アドニキサンチン構造異性体、カンタキサンチン、ハイドロエキネノン構造異性体、β−クリプトキサンチン、エキネノン、エキネノン構造異性体、β−カロチン、β−カロチン構造異性体の存在が確認された。
この株から抽出された主なカロチノイド色素の含有量は、乾燥菌体1g当りでアスタキサンチン0.114mg/g、アドニキサンチン0.656mg/g、ゼアキサンチン0.059mg/g、アドニルビン0.019mg/g、アスタキサンチン構造異性体0.016mg/g、アドニキサンチン構造異性体0.149mg/g、カンタキサンチン0.007mg/g、ハイドロエキネノン構造異性体0.065mg/g、β−クリプトキサンチン0.006mg/g、エキネノン0.165mg/g、エキネノン構造異性体0.001mg/g、β−カロチン0.064mg/g、β−カロチン構造異性体0.001mg/gであり、カロチノイド色素の総量は1.322mg/gであった。
本発明は、サプリメント食品や飼料(色揚げ飼料)の製造に利用可能である。
エリスロバクターJPCC O種1884株の分子系統解析の結果を示す分子系統樹である。

Claims (3)

  1. エリスロバクター(Erythrobacter)JPCC O種1884(NITE BP−341)株。
  2. 請求項に記載の細菌を培養して得られる細菌培養物。
  3. 請求項に記載の細菌を培養する工程を有するアスタキサンチンの製造方法。
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