JP6970510B2 - 微細藻類においてトリアシルグリセロールの産生を誘導するための一酸化窒素又は一酸化窒素供与体の使用 - Google Patents

微細藻類においてトリアシルグリセロールの産生を誘導するための一酸化窒素又は一酸化窒素供与体の使用 Download PDF

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Description

本発明は一酸化窒素供与体を増殖培地に添加することにより微細藻類においてトリアシルグリセロール(TAG)を蓄積させる方法に関する。本発明は本発明による微細藻類におけるトリアシルグリセロール蓄積工程を含む、脂肪酸、バイオ燃料、医薬組成物又は化粧品組成物、更には栄養補助食品を作製する方法にも関する。最後に、本発明は微細藻類においてトリグリセリドを蓄積するための一酸化窒素供与体の使用に関する。
穀物から生産される油糧種子は栄養学的な目的以外には利用する(diverted from)ことができないと認識されている(非特許文献1)。そのため、藻類のような他の生物における油(oil)生産へと取り組みが移行している(非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4、非特許文献5、非特許文献6)。藻類のトリアシルグリセロール(TAG、油とも呼ばれる)生産について行われた研究(下記表1)は細胞質滴におけるTAGの増大に着目している。
Figure 0006970510
陸上植物に勝る微細藻類の利点がEPOBIOレポートに要約されている(非特許文献7)。耕作地にて栽培可能な植物(穀物)及びオープンポンド又は密閉リアクタにおいて生育される微細藻類はどちらも工業用のTAG及び脂肪酸、並びにバイオ燃料の潜在源である(非特許文献4)。しかしながら、集約的な農作業、及び食品から非食品への穀物の転用により深刻な懸念が生じている。そのため、光合成微生物に基づいた新世代のバイオ燃料を開発する取り組みが必要とされている。
TAG生産用の植物についての微細藻類の主な利点は下記である:
この生物資源は動物又はヒトの栄養補給に用いられる農業資源と競合しない。
藻類の増殖は他のヒトの活動により生じた無機老廃物及び有機老廃物を再利用する環境に優しいプロセスにて制御及び閉鎖条件下でモニタリングすることができ、微細藻類を使用することで、産業副産ガス(例えばCO)を捕捉し、有益な有機分子へと変換させることが可能である(非特許文献2、非特許文献3、非特許文献8)。
藻類のバイオマス生産性が高く、微細藻類はコストを抑えつつも陸上植物に比べて非常に高い生産能を示す(表2を参照されたい)。その収率は多様であり、用いられる培養アプローチによって決まる:収率はオープンポンド系では比較的低く、培養パラメータが制御可能な閉じたフォトバイオリアクタでは大きく増大することができる。
この生物資源は立地又は季節に左右されない。
Figure 0006970510
このバイオインダストリー分野の経済的実行可能性には、バイオマス全収率、すなわち1リットル当たりに生産される藻類有機物の乾燥重量と有益な分子の割合とを合わせること、すなわち工業用抽出及び処理にとって十分高い割合の乾燥重量当たりのTAGが現在制限されていることから課題が残っている(非特許文献2、非特許文献3、非特許文献8)。
特に微細藻類の脂質組成物はバイオディーゼル生産に適合している(非特許文献4、非特許文献5)。微細藻類からバイオディーゼルを生産する原理は、太陽光を用いて水及び二酸化炭素をバイオマスに変換させ、次いで栄養素ストレスのような外部刺激を加えること、及び/又は代謝の遺伝子操作により、特にこのバイオマスを油の合成へと再び移行させることで、バイオ燃料を生成させる(非特許文献9)。
存在量についての3つの最も重要な微細藻類群は、緑藻(緑色植物亜界(group)、緑藻綱)、珪藻(クロムアルベオラータ上門、不等毛植物門、珪藻綱)及び黄金色藻(クロムアルベオラータ上門、不等毛植物門、黄金色藻網)である(EPOBIO定義)。珪藻は海洋、淡水及び様々な土壌生息地における生物多様性のある(biodiversity)主な植物プランクトンの門である。珪藻は地球全体の一次生産の最大25%を担っている。この真核生物群の研究は羽状珪藻モデルであるフェオダクチラム・トリコルヌタム(Phaeodactylum tricornutum)における近年の進展の恩恵を受けてきた。珪藻は他の微細藻類と同様に化石燃料又は石油化学由来の化学物質に代わる有望な代替炭化水素源であると考えられ、光合成によりCO及び水を効率的にバイオマスへと変換させることができ、エネルギーの豊富なTAGが蓄積するように炭素代謝を制御することができるという仮説に基づき、COのバランスを保つという利点がある。フェオダクチラム・トリコルヌタムを含むクロムアルベオラータ上門の様々な植物プランクトン生物は、そのTAG蓄積能、有望な初期収率、並びに工業プロセスにて実行するのに適したロバスト性及び物理特性から注目されている。フェオダクチラム・トリコルヌタムは現在、ω−3多価不飽和脂肪酸の工業生産に使用されているが、この用途及びバイオ燃料等の他の用途での工業実施は依然、窒素飢餓等の従来の栄養素飢餓アプローチを用いてTAG蓄積を誘起させる場合、増殖遅延及び低バイオマス収率により制限されている(非特許文献8)。
このため現在、増殖培地における硝酸イオン(NO )の利用低減が微細藻類においてTAGの蓄積を誘起するのに最も用いられているプロセスである。しかしながら、増殖培地における硝酸イオンの利用低減によって細胞の増殖も妨げられる(非特許文献10)。したがってTAGの蓄積は実際にこのようなプロセスによって高められるが(微細藻類の細胞当たりのTAG)、この蓄積は増殖低減による損失を補うには十分有効であるとはいえず、結果として生産性(微細藻類の培養物体積当たり及び1日当たりのトリアシルグリセロール(TAG)量当たり)の増大は限られている。
このことから、これらのアプローチには窒素飢餓が増殖制限を誘導するという重大な欠点がある。フェオダクチラム・トリコルヌタムはケイ素の非存在下での増殖能又は採取法に有用であり得る細胞の沈降のような工業実施に関する興味深い特性を呈する。TAG蓄積を促す試みは脂肪酸及びTAG生合成の刺激、炭素を代替的代謝経路へと転用させる経路遮断、並びに最終的なTAG異化の停止を含む、組み合わせることができる様々な戦略に依拠するものであり得る。小分子はTAG代謝のこれら3つの側面それぞれに作用することができる。
別のアプローチとして、炭素フラックスを代替代謝産物へと移行させる代謝経路の阻害又は遮断により微生物において油の蓄積を促すことが可能である。例えば、デンプン等の貯蔵糖類での炭水化物の蓄積の遮断は油の蓄積を促すことができることが知られている(非特許文献11)。しかしながら、炭水化物の貯蔵の遮断は、特に細胞に栄養を与えるのにこれらの貯蔵炭水化物が必要である暗所において細胞増殖に(非特許文献12)、ひいては生産性に悪影響がある。
炭素を用いる他の代謝経路を遮断し、炭素代謝をTAG代謝へと再び移行させることが可能である。それにより、ステロールの代謝阻害に基づくアプローチが最近になって開発されている(特許文献1)。
国際公開第2015/111029号
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しかしながら、最大のバイオマス生産性にて脂質を生成し、細胞の脂質含量を最大にすることが可能な代替法が依然必要とされている。
予期せぬことに本発明者らは、TAGの蓄積及び更には生産性の両方を増大させることが有益に可能な微細藻類の処理方法を発見した。より具体的には、フリーラジカル源である一酸化窒素(N=O、NOと略記される)を増殖培地に添加することにより、微細藻類においてTAGの蓄積を誘起することができることが分かっている。更なる利点としては、この方法は硝酸塩又は他の栄養素の供給を低減させることなく行うことができ、そのため微細藻類によるTAGの生産性を増大させることも可能である。付加的な利点としては、この方法は代謝経路を遮断させる必要がなく、代謝経路は細胞の適切な機能化に使用することができる状態を保つ。
本発明の枠組み内において、微細藻類という用語は真核生物の微細藻類、特に珪藻を指す。
また本発明において、トリアシルグリセロールはトリアシルグリセリド又はTAGとも呼ばれ、3つの脂肪酸によるグリセロールの3つのヒドロキシル基のエステル化により生じるエステルである。下記スキームでは、TAGが3つの脂肪酸(RCOOH、RCOOH、RCOOH)によるグリセロール骨格のエステル化により合成される。
Figure 0006970510
スキーム1:3つの脂肪酸(RCOOH、RCOOH、RCOOH)によるグリセロールの3つのヒドロキシル基のエステル化により生じるTAGの構造。
本明細書で使用される場合、「微細藻類においてTAGの蓄積を誘起する」という表現は上記微細藻類における細胞のTAG含量(微細藻類の細胞重量当たりのTAG重量)が特に十分な窒素下において、正常な栄養及び培養条件下で、すなわち非ストレス培養条件にて観察されるものに比べて増大していることを意味する。本発明による方法により、通例非処理条件に比べて120%〜300%の細胞の脂質生産の増大が可能である。
本明細書で使用される場合、「生産性」又は「バイオマス生産性」という用語は微細藻類の培養物体積当たり及び1日当たりに生じるTAGの量を指し、ナイルレッドを用いた染色による1リットル当たり及び1日当たりのTAGの相対強度、又は1リットル当たり及び1日当たりのTAGのグラム数(g/l/日)のいずれかで表される。本発明による方法により、特に珪藻を用いて0.025g/l/日〜1g/l/日の範囲にある生産性を達成することが可能となることが有益である。
そのため一目的(正:object)において、本発明は微細藻類においてトリアシルグリセロール(TAG)の蓄積を誘起する方法であって、微細藻類の増殖培地において外因性の窒素酸化物(NO)源を上記微細藻類と接触させる工程(i)を含む、方法に関する。
一態様では、増殖培地は窒素が十分な、すなわち硝酸イオン(NO )及び/又は亜硝酸イオン(NO )の含量が十分な増殖培地である。増殖培地は特に0.5mM〜10mMの硝酸イオン(NO )及び/又は亜硝酸イオン(NO )を含有し得る。
別の態様では、微細藻類は珪藻植物門、クロムアルベオラータ門、及びアーケプラスチダ門の微細藻類から選択される。
好ましい態様では、微細藻類はフェオダクチラム・トリコルヌタム及びタラシオシラ・シュードナナ(Thalassiosira pseudonana)の珪藻の微細藻類種、並びにアーケプラスチダのクラミドモナス属、オストレオコッカス属、クロレラ属の微細藻類種から選択される。微細藻類はフェオダクチラム・トリコルヌタム及びタラシオシラ・シュードナナの珪藻の微細藻類種から選択されることがより好ましい。外因性の窒素酸化物源は窒素酸化物供与体(NO供与体)、特に有機物である窒素酸化物供与体(有機物であるNO供与体)とすることができる。
本明細書で使用される場合、「窒素酸化物供与体」という用語はNOの放出が必要となるときまでNOラジカルを安定化させることが可能なNOの分子担体を意味する。好ましいNO供与体にはNOを放出することが可能なものが含まれる。
更なる態様では、有機物であるNO供与体はジアゼニウムジオレート(NONOエート)及びS−ニトロソチオールから選択される。
ジアゼニウムジオレート[RN−(N)=NO]は窒素原子を介して求核付加物、特に第一級又は第二級のアミン又はポリアミンに結合したジオレート基のみからなる。NONOエートは生理学的なpH及び温度の溶液中にて自然分解し、最大2モル当量のNOを生成するが、事前に分子を切断し末端酸素を放出させる必要があり得る(例えば下記スキームにおけるV−PYRRO/NO及びJS−Kについて)。NONOエートの例は刊行物(Miller et al., British Journal of Pharmacology (2007) 151, 305-321)に見ることができ、下記スキームに表される:
Figure 0006970510
スキーム2:ジアゼニウムジオレートの例
NO供与体のS−ニトロソチオール群にはチオール(スルフヒドリル)基(R−SH)とNO部分との間の化学的な単結合を含む多くの異なる化合物が含まれる。S−ニトロソチオールの例は刊行物(例えばMiller et al., British Journal of Pharmacology (2007) 151, 305-321)にて報告され、下記のスキームにて報告されるものを含む:
Figure 0006970510
S−ニトロソ−グルタチオン(GSNO)
S−ニトロソ−N−アセチルペニシラミン(SNAP)
S−ニトロソ−N−バレリルペニシラミン(SNVP)
スキーム3:S−ニトロソチオールの例
有機物であるNO供与体はS−ニトロソチオール、特にS−ニトロソ−N−アセチルペニシラミン(SNAP)、S−ニトロソ−N−バレリルペニシラミン(SNVP)、S−ニトロソ−グルタチオン(GSNO)から選択されるS−ニトロソチオールであることが好ましい。
窒素酸化物源は特に微細藻類とともに1時間〜48時間インキュベートすることができる。
更なる態様では、増殖培地に存在するか、又は放出されるNOの濃度は0.25mM〜5mMである。
別の態様では本発明の方法は、1つ又は複数の抽出工程を含み得る、微細藻類において蓄積したトリアシルグリセロールを回収する工程(ii)を更に含む。抽出工程は溶媒又は当業者に既知の別の抽出法を用いて行うことができる。
第2の目的によれば、本発明は脂肪酸、バイオ燃料、医薬組成物若しくは化粧品組成物、又は栄養補助食品を生産するための、上記に規定の微細藻類においてトリアシルグリセロールの蓄積を誘起する方法の使用に関する。
更なる目的によれば、本発明は、
上記のTAGの蓄積を誘起する方法に規定される工程(i)及び工程(ii)と、
例えばZhang et al., Bioresource Technology 147 (2013) 59-64に記載されているような工程(ii)で回収したトリアシルグリセロールをエステル交換する工程(iii)と、任意に、
得られたエステル交換したトリアシルグリセロールを回収する工程(iv)と、
を含む、バイオ燃料を作製する方法に関する。
付加的な目的によれば、本発明は微細藻類においてトリアシルグリセロール(TAG)の蓄積を誘起するための外因性の窒素酸化物、特にNO供与体の使用に関する。
上記の規定に加えて、本発明は以下の残りの記載、また添付の図面から明らかとなる他の規定も含む。
図1〜図4:フェオダクチラム・トリコルヌタムにおけるTAGの生産に対する漸増濃度のSNAPの効果。使用培地は10×ESAWであり、インキュベーションを500μlで行い、1×10細胞/mlにて接種し、化学物質を即座に添加した。測定は2日間のインキュベーション後に行った。図1及び図2及び図3のデータは3回の生物学的反復の結果であり、図4は反復なしの時間経過とした。NAPはSNAPの非活性アナログとして使用した。
増殖に対する漸増濃度のSNAPの効果を示す図である。増殖は細胞/mLで測定する。 細胞当たりのTAGレベルに対する漸増濃度のSNAPの効果を示す図である。細胞当たりのTAGレベルは相対蛍光単位/10細胞で与えられる。 TAG生産性に対する漸増濃度のSNAPの効果を示す図である。TAG生産性は1mL当たり及び1日当たりのナイルレッドの蛍光に相当する相対蛍光単位(Rfu)で与えられる。 非処理対照と比較した1mM又は3mM SNAPによる処理後のNO放出を示す図である。
1)材料及び方法
細胞培養
フェオダクチラム・トリコルヌタム(Pt1)ボーリン株8.6 CCMP2561(海洋植物プランクトンカルチャーコレクション(Culture Collection of Marine Phytoplankton)、現在ではNCMA:国立海洋藻類及びミクロビオームセンター(National Center for Marine Algae and Microbiota)としても知られる)を全ての実験で使用した。Pt1を、「10×ESAW」と呼ばれる10倍濃縮窒素及びリン酸塩源(5.49×10−3M NaNO及び2.24×10−4 NaHPO)を用いた人工海水(ESAW)培地(培地の組成は表1を参照されたい)、又は窒素枯渇培地の入った250mL容のフラスコ内にて20℃で増殖させた。細胞を12時間:12時間の明(30μE/m/秒)/暗サイクルにて増殖させた。新鮮培地を用いて1ml当たり1×10の細胞を接種させることにより1週間に2回細胞を継代培養した。増殖はマラッセ計算板を用いて細胞数により、又はプレートリーダーを用いて750nmでの吸光により評価した。
Figure 0006970510
一酸化窒素(NO)供与体作用物質とのインキュベーション
S−ニトロソ−N−アセチルペニシラミン(SNAP)は溶解することでNOを自然放出する化合物である。ニトロソ−アセチルペニシラミン(NAP)はNOを放出しない非活性化合物として使用されるものであることから、対照実験に使用することができる。
蛍光レポーターを用いた一酸化窒素の測定
フルオロフォアである4−アミノ−5−メチルアミノ−2’,7’−ジフルオレセイン二酢酸塩(DAF−FM)により、NOと平衡状態にあることから、NOレベルを示すものである低レベルのペルオキシ亜硝酸イオン(nitric peroxide)(ONOO)の高感度検出が可能となり(St Laurent CD, Moon TC, Befus AD. 2015. Measurement of nitric oxide in mast cells with the fluorescent indicator DAF-FM diacetate. Methods Mol Biol. 1220:339-45)、P.トリコルヌタム細胞におけるNOレベルを検出するのにこれまで使用されてきた(Vardi et al., 2008)。10mlの培養物を希釈し10細胞/mlにし、細胞を20μlの5mM DAF−FMとともにインキュベーションした(1.5時間、室温、暗所、振盪)。細胞を洗浄し、10mlの10×ESAW培地に再懸濁して、48ウェルの培養プレート上の500μlの培養物へと分注し、そこにSNAPを添加した。ペルオキシ亜硝酸イオンのDAF−FM依存性の検出実験のために、150μlの培養物を96ウェルプレートに移し、TECANのインフィニットM1000Proプレートリーダー(488nmの励起波長、529nmの発光波長)を用いて蛍光を測定した。
ナイルレッド染色によるTAG蓄積の測定
TAG滴の蓄積は、これまでに記載の原理(Abida et al., 2015)に従ってナイルレッド(Sigma Aldrich)蛍光染色(485nmの励起波長、525nmの発光波長)によりモニタリングした。簡潔に述べると、細胞を希釈し、ナイルレッド蛍光と線形相関になる細胞密度に調整した。ナイルレッド溶液(100% DMSO中、40μlの2.5μg/mL ストック濃度)を160μlの細胞懸濁液に添加した。次いで、ナイルレッドによって染色された油体(Oil bodies)を、ZeissのAxioScope.A1顕微鏡(FITCフィルター、488nmの励起波長、519nmの発光波長)を用いて可視化した。体積当たり及び単位時間当たりのTAGの蓄積に相当する生産性をナイルレッドによる染色に基づき算出し、1mL当たり及び1日のインキュベーション当たりのナイルレッドの相対蛍光単位(Rfu)で表した。代替的に、ナイルレッドの蛍光値を細胞濃度に正規化させた。
2)結果
500μL容量でのP.トリコルヌタムの1mM SNAPとの2日間のインキュベーションが細胞増殖の低減を誘導するが(図1)、細胞当たりのTAGの2.2倍の増大(図2)、更には培養体積当たり及び1日当たりのTAGのレベルに相当する生産性の2倍を超える増大(図3)を誘起した。

Claims (13)

  1. 珪藻植物門の微細藻類においてトリアシルグリセロール(TAG)の蓄積を誘起する方法であって、微細藻類の増殖培地において外因性の窒素酸化物(NO)源を前記微細藻類と接触させる工程(i)を含む、方法。
  2. 前記外因性の窒素酸化物源が窒素酸化物供与体(NO供与体)、特に有機物であるNO供与体である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記増殖培地が硝酸イオン(NO )及び/又は亜硝酸イオン(NO )を含有する、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 珪藻植物門の前記微細藻類が、
    珪藻の微細藻類種の、フェオダクチラム・トリコルヌタム及びタラシオシラ・シュードナナから選択される、請求項3に記載の方法。
  5. 有機物である前記NO供与体が、ジアゼニウムジオレート(NONOエート)及びS−ニトロソチオールから選択される、請求項2〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 有機物である前記NO供与体がS−ニトロソチオールである、請求項5に記載の方法。
  7. 前記S−ニトロソチオールが、S−ニトロソ−N−アセチルペニシラミン(SNAP)、S−ニトロソ−N−バレリルペニシラミン(SNVP)、及びS−ニトロソ−グルタチオン(GSNO)から選択される、請求項6に記載の方法。
  8. 前記増殖培地中の外因性NOの濃度が0.25mM〜5mMである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 微細藻類に蓄積されたトリアシルグリセロールを回収する工程(ii)を更に含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 脂肪酸、バイオ燃料、医薬組成物若しくは化粧品組成物、又は栄養補助食品を生産するための、請求項1〜9のいずれか一項に記載の微細藻類においてトリアシルグリセロールの蓄積を誘起する方法の使用。
  11. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の工程(i)及び工程(ii)と、
    工程(ii)で回収したトリアシルグリセロールをエステル交換する工程(iii)と、任意に、
    得られたエステル交換したトリアシルグリセロールを回収する工程(iv)と、
    を含む、バイオ燃料を作製する方法。
  12. 珪藻植物門の微細藻類においてトリアシルグリセロール(TAG)の蓄積を誘起するための外因性の窒素酸化物の使用。
  13. 前記外因性の窒素酸化物が、窒素酸化物供与体、特に有機物である窒素酸化物供与体から放出されたものである、請求項12に記載の使用。
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