解説

澱粉生合成研究の発達と今後への期待澱粉生合成研究の発達史

Progress of Starch Biosynthesis Research and Future Perspectives: History of Starch Biosynthesis Research

Yasunori Nakamura

中村 保典

秋田県立大学

秋田ナチュラルサイエンスラボラトリ

株式会社スターチテック

Published: 2019-05-01

澱粉生合成研究は,大きな転換点にある.本分野はおよそ1990年以降から今日までに大きく発展したので,平成は生合成過程に関する膨大で最も重要な基礎情報が蓄積された時代として記憶されるであろう.変異体の解析により,主要酵素の役割が明確になった.遺伝子構造が解析され,発現パターンが調べられる時代を経て,全ゲノム解析の時代が到来し,全候補遺伝子の構造および発現情報が比較的容易に得られるようになった.これは,30種類以上の酵素アイソザイムが関与する澱粉合成過程全体の枠組みが明らかになったことを意味する.本稿では,わが国で最も詳細に研究されたイネの澱粉生合成過程を中心に,今日に至る研究の潮流を概説する.

澱粉生合成研究の発達史の概要と日本のイネ研究の特徴

澱粉は分岐状のアミロペクチンと基本的に直鎖状のアミロースからなる.直鎖はα-1,4-グルコシド結合,分岐はα-1,6-グルコシド結合からできていて,直鎖結合はスターチシンターゼstarch synthase(アミロペクチン合成に関与する可溶性型のSS,アミロース合成に関与する澱粉粒結合型のGBSSからなる),分岐結合は澱粉枝作り酵素starch branching enzyme(BE)で生成される.アミロペクチンのクラスター構造の形成には,α-1,6-結合分解酵素であるイソアミラーゼisoamylase(ISA)などの枝切り酵素によるトリミング作用が欠かせない.(個々の酵素アイソザイムの働き,澱粉構造の特徴,個々の重要な研究成果などの基礎情報は,紙面の制限があるので,総説(1~4)を参照していただきたい).

主要アイソザイム(SSI, SSIIa, SSIIIa, GBSSI, BEI, BEIIa, BEIb, ISA1)の澱粉分子,とりわけアミロペクチンのクラスター構造形成への寄与の解明は澱粉合成研究史のハイライトである(図1図1■アミロペクチン合成における主要アイソザイムのはたらき).今振り返ってみると,生合成の研究史は,大きく3段階に分類することができる(図2図2■澱粉合成研究史の概要).第1期(1961~1989年)は,基礎情報収集期で,主として穀類,イモ類などの貯蔵器官や緑葉で強く発現している主要アイソザイムについて,タンパク化学的な性質や酵素化学的な性質の基礎が調査された時期である.この時期は,酵素遺伝子のDNA情報は得られておらず,調べられたアイソザイムの種類も限定的なものだったため,澱粉生合成の制御過程に対する包括的な理解は不可能だった.

図1■アミロペクチン合成における主要アイソザイムのはたらき

アミロペクチンはクラスターと呼ばれる単位構造が直列に多数連結した構造(タンデムクラスター構造)をしているが,本図では2個(A)あるいは1個(B)のみを記す.クラスターを構成する鎖の長さ(重合度またはDP値)は直線の長さに対応している.(A)アミロペクチンのクラスター構造形成へのSS, BEアイソザイムのはたらき:SSIとSSIIaはそれぞれクラスターを構成する短鎖と中間鎖の合成時に,SSIIIaはクラスターを連結する長鎖の合成時に重要な役割を担っている.BEIはクラスターの基部の分岐を合成し,BEIIbはクラスター内部の分岐を合成するのが主要な役割である.(B)主要酵素アイソザイムの活性が変動する際のアミロペクチン構造の変化:澱粉合成の主要アイソザイム(SSIIa, BEIIb, ISA1)の活性レベルの変動に起因するアミロペクチン構造(クラスター構造)の変化パターンを示す.各酵素の活性の大きさは矢印の太さに比例している.たとえば,中間鎖を合成するSSIIa活性が低いとS-アミロペクチンが合成される(ジャポニカ米のS-アミロペクチン)が,高いとL-アミロペクチンになる(典型的なインディカ米のアミロペクチン).後者の二重らせんの長さは長くなり,らせんを形成する鎖同士の結合力も強くなるため,前者よりも難糊化性になる.BEIIbの特異的な機能のゆえに,失活すると,基部だけしか分岐ができず,BE/SS活性比も低下するため,少数の長鎖だけのae-アミロペクチンとなり,澱粉が難糊化性になる.逆に活性が過剰になると,分岐鎖ができすぎてクラスター構造の規則性が失われ,その結果澱粉が可溶性になる.また,ISA1活性がなくなると,クラスター構造が消失し,フィトグリコーゲンになる.詳細は文献1, 41) Y. Nakamura: Plant Cell Physiol., 47, 718 (2002).4) Y. Nakamura: “Starch: Metabolism and Structure”, ed. by Y. Nakamura, Springer, Tokyo, 2015, pp. 161.参照.

図2■澱粉合成研究史の概要

澱粉合成研究史を3期に分類した.第1期右の×印は,なしあるいは極めて不十分であることを示す.詳細は,本文参照.

第2期(1990~2010年頃)は基本スキーム確立期で,澱粉合成研究が最盛期を迎えた時代である.藻類を含む広範な植物種について,変異体,遺伝子組換え体を使用し,関与酵素の機能,性質,構造,発現パターンなどが徹底的に解明され,基本となる膨大な新知見データが蓄積された.途中で全ゲノム解析時代を迎え,すべての候補アイソザイムについて基礎的な事項が調査され,基本的な合成制御過程の全体像を洞察あるいは類推できる時代となった.植物種全体に共通する事象,植物種・組織特異的な事象もかなり明確になった.この時期,第一に,多数の植物で各酵素アイソザイムの構造,発現レベル,機能に関する徹底的な分析研究が行われた.第二に,イネ,シロイヌナズナ,トウモロコシなどで全ゲノム情報が明らかにされ,アイソザイム数とその構造など,澱粉合成過程に関与する候補酵素の全容が明らかになった.第三に,分子生物学的手法の発展により,変異体および組換え体が比較的容易に作製できるようになったため,生化学分析で推定された酵素アイソザイムの機能の妥当性が証明された.トランスクリプトーム,プロテオーム,メタボロームなどの網羅的な分析方法が普及し,システマティックな解析が可能となり,澱粉合成過程の全体像を洞察できるようになった.それらに加えて,ISA1がアミロペクチン合成,澱粉粒の形成に必須であること,ホスホリラーゼphosphorylase1(Pho1)が澱粉合成(恐らくその初期過程に.後述)に重要な役割を担うことも,明らかになった.さらに,澱粉の進化を洞察できるようになった(5)5) S. Ball, C. Colleoni & M. C. Arias: “Starch: Metabolism and Structure,” ed. by Y. Nakamura, Springer, Tokyo, 2015, pp. 91..構澱粉合成過程の進化,澱粉構造の進化である.植物の進化とともに構造が変わる生体物質の例はまれであるが,澱粉構造の進化は顕著で,これを可能にしたのはアイソザイムの分化,酵素機能の進化である.

この間に,代謝制御過程を考察するときに必要となる最も基本的な知見が得られた.重要なことは,複雑な澱粉合成過程の基本反応段階と,主要酵素の役割とが明確になったことで,指針となる息の長い合成モデルが提唱されたことである.一例を挙げると,筆者が提唱したアミロペクチン合成モデル“Two-step branching and improper branches clearing model”は2002年に発表(1)1) Y. Nakamura: Plant Cell Physiol., 47, 718 (2002).以来,大きな修正を受けることなく,今日まで多くの国際誌に引用され続けている.もちろんこうしたモデルは完全解ではないが,今後もより精密なモデルが提案されるまで,一定の役割を果たすであろう.

このような基本スキームが確立されるうえで,変異体解析,酵素研究,組換え体解析が大きな役割を果たした(図3図3■澱粉生合成過程の解明研究で重要な役割を果たした主要なアプローチ).変異体形質の解析が果たした役割の大きさは計り知れない.変異形質を解析することにとって,多数の酵素アイソザイムが関与する複雑な代謝反応ネットワークのなかで,それぞれのアイソザイムがどのように関与し,ほかのアイソザイムと機能上でどのような重複があるかを裏づける最も信頼すべき情報が提供された.ほかの手法で得られた知見に基づいた推定や結論も,変異体の表現型が示す変化と矛盾しないか確認する必要がある.化学的変異原や物理的変異原で誘導された変異体コレクションの使用が最も一般的だったが,21世紀になりトランスポゾンが挿入された変異体ライブラリなど,原因遺伝子があらかじめ判明した変異体を使用した逆遺伝学的手法が誰でも用いられるようになった.

図3■澱粉生合成過程の解明研究で重要な役割を果たした主要なアプローチ

詳細は,本文参照.

酵素学的な解析も重要な情報を与えた(図3図3■澱粉生合成過程の解明研究で重要な役割を果たした主要なアプローチ).精製酵素を用いたin vitro反応から求められた酵素の特徴は,ほかの酵素の影響を受けない条件下で,目的酵素の酵素学的な特徴が直接わかる.構造のわかったグルカン基質を用いて,反応条件を変えることで,さらに詳細にin vivo研究の結果と照合させることができた.

遺伝子組換え体は,変異体解析や酵素研究から推定された遺伝子機能を検証する場でもある(図3図3■澱粉生合成過程の解明研究で重要な役割を果たした主要なアプローチ).遺伝子組換え体では,ターゲット遺伝子だけの影響を見ることができる利点がある.他方変異体では,ターゲット遺伝子以外の遺伝子も同時に変異している可能性が排除できないことが多いので,着目する変異体形質が,ターゲット遺伝子の変異だけによるものかどうかを十分留意し,確かめる必要がある.また,遺伝子組換え体では複数のアイソザイム機能を同時に制御し,異種遺伝子を導入することも可能である.同一のDNAコンストラクトから,ターゲット遺伝子の発現レベルが異なる一連の系統が作製されるため,結果として,ターゲット酵素アイソザイムの活性レベルがさまざまに変化したときの表現型への影響を知ることができる(6, 7)6) N. Tanaka, N. Fujita, A. Nishi, H. Satoh, Y. Hosaka, M. Ugaki, S. Kawasaki & Y. Nakamura: Plant Biotechnol. J., 2, 507 (2004).7) Y. Nakamura, P. B. Francisco Jr., Y. Hosaka, A. Sato, T. Sawada, A. Kubo & N. Fujita: Plant Mol. Biol., 58, 213 (2005).

注目すべきことは,こうした結果を受けて研究成果の実用化への道が大きく開かれたことである.澱粉構造,物性がどのようにどこまで改変できるのかが明らかになり,目的の澱粉をデザインする道筋が見えたことである.澱粉は,古来より蓄積された人々の知恵や経験,技術によって,3,000品目にもわたり商品化されているが,素材としての澱粉の選別は,多くが植物の種間差によるものである.野生型の澱粉のバリエーションの範囲と大きさは,分子デザインによるバリエーションに遠く及ばない.ならば,セルロースに次ぐ再生可能なバイオマスとしての澱粉は,これまで利用されてこなかった分野,品目にまで産業利用される可能性を秘めているといってよい.そうした認識が得られ,澱粉改変のデザインが可能になった.

第3期(2010年頃~現在)では,第2期での成果を受けて,合成過程の制御メカニズムのさらに精度の高い解析を行い,研究成果を農業・産業分野に利用する時期である.この流れは今後ますます盛んになり,新たな課題と実績が顕在化すると予想される.またこれらは国際的に大きな潮流となり,ダイナミックな開発競争が繰り広げられるであろう.具体例は次項で述べる.

今後の澱粉生合成研究では,澱粉構造に対する深い理解がますます必要となる.アミロペクチンの側鎖は左巻き二重らせん構造(1~10 nmのスケール)を形成し,澱粉分子は細胞のサイズにも匹敵する澱粉粒(1~100 µmのスケール)内部に規則正しく充填されて,アミロプラストや葉緑体などの色素体に貯蔵されている.澱粉構造は,レベルの異なる階層構造[二重らせん構造,らせん間の配置による結晶(A型,B型)構造,スーパーらせん構造,球塊(blocklet)構造,澱粉粒構造]をしているとされている(こうした構造のなかには,スーパーらせん構造または球塊構造のように,存在そのものに関してすら研究者間で異論があるものを含む)(8)8) S. Pérez & E. Bertoft: Starch, 62, 389 (2010)..106~107のオーダーに及ぶ澱粉構造の細部に関しては,分析法の限界もあり,依然として重要な点で不明瞭なところもある.しかしこの間の構造研究は合成研究に先行してめざましく発展し,合成研究をリードしてきた点も銘記しなければならない.構造研究史に関しては,貝沼圭二博士の優れた総説(9, 10)9) 貝沼圭二:化学と生物,50, 203 (2012).10) 貝沼圭二:化学と生物,50, 289 (2012).がある.併せてお読みいただきたい.

今後の生合成研究の課題

すでに述べたように,高レベルで発現している主要アイソザイムの機能はほぼ解明されたといってよい.ただし,マイナーなアイソザイムの寄与が主要アイソザイムの寄与とどの程度重複しているのか,という点はまだ理解が十分ではない.澱粉生合成研究も第3期に入って,これからが最も面白く,精妙で深遠な澱粉合成過程独特の制御メカニズムおよびトピックスを扱うことになると予想され,澱粉生合成研究はまさに正念場を迎える.いくつかに分けて述べてみよう.

1. 貯蔵器官の澱粉合成系の特徴

ここで,貯蔵器官の代謝的な特徴を,緑葉と対比させて,述べてみよう(4)4) Y. Nakamura: “Starch: Metabolism and Structure”, ed. by Y. Nakamura, Springer, Tokyo, 2015, pp. 161..第一に,緑葉では澱粉合成は光合成と強くリンクしており,澱粉合成の基質となるADPグルコースは,カルビン・ベンソン回路メンバーのグルコース1リン酸に由来する.したがって緑葉では澱粉合成関連代謝は葉緑体内で完結している(AGPase反応に必要なATPも,光リン酸化過程から供給される).それに対しシンク器官では,炭素源は転流されたスクロースである.たとえば穀類の胚乳では,澱粉合成はアミロプラスト内で行われるが,スクロースからADPグルコース生成までの糖変換反応は細胞質で行われ,ATPはミトコンドリアの酸化的リン酸化過程から供給されるなど,オルガネラ間のさまざまな代謝系と強い協同関係にある.そのため,胚乳細胞には,葉緑体には見られない,膜トランスポーターが備わっている.第二に,緑葉の同化澱粉は,概日リズムで合成と分解とを繰り返すため,少なくても特定の酵素の活性は光で制御されている.それに対して,貯蔵澱粉は長期間に貯蔵されるため,そのような光制御は受けないか,あっても極めて弱い.第三に,澱粉粒の形態,高次構造が異なる.一般に貯蔵澱粉は同化澱粉と比べて,結晶性が高い.

2. 酵素間相互作用

澱粉のように高度に規則性のある構造を形成するためには,多数の酵素アイソザイム間のさまざまな組み合わせで,相互作用があると推察される.その実体の解明はこれからの課題である.コムギの胚乳でBEIIa–BEIIb–Pho1間でタンパク質のリン酸化を介して複合体を形成していることが証明されて以来(11)11) I. J. Tetlow, R. Wait, Z. Lu, R. Akkasaeng, C. G. Bowsher, S. Esposito, B. Kosar-Hashemi, M. K. Morell & M. J. Emes: Plant Cell, 16, 694 (2004).,トウモロコシ,コムギ,オオムギ,イネの胚乳で多種類の複合体が確認されている(総説(12, 13)12) I. J. Tetlow, F. Liu & M. J. Emes: “Starch: Metabolism and Structure”, ed. by Y. Nakamura, Springer, Tokyo, 2015, pp. 291.13) N. Crofts, Y. Nakamura & N. Fujita: Plant Sci., 263, 1 (2017).参照).複合体の種類やサイズは,種間でかなり異なる.また,複合体の形成にタンパク質のリン酸化が関与する,複合体の形成が構成酵素の機能の向上に関連している,などの知見があるが,どこまでが種に共通した性質か,あるいは種に特有の性質か,生理的な条件下での複合体形成の機能上での寄与度はどれほどかなど,まだ確定していない事項も多い(13)13) N. Crofts, Y. Nakamura & N. Fujita: Plant Sci., 263, 1 (2017)..また,in vitro実験で,イネPho1–BE間やSSI–BE間で機能的に強い相互作用があることが確認されているが,興味深いことに,機能的な相互作用は顕著であるにもかかわらず,タンパク質間の結合力は必ずしも強くない(14~16)14) Y. Nakamura, M. Ono, C. Utsumi & M. Steup: Plant Cell Physiol., 53, 869 (2012).15) Y. Nakamura, S. Aihara, N. Crofts, T. Sawada & N. Fujita: Plant Sci., 224, 1 (2014).16) Y. Nakamura, M. Ono, T. Sawada, N. Crofts, N. Fujita & M. Steup: Plant Sci., 264, 83 (2017)..機能的な相互作用の強さと物理的な結合の強さは必ずしも一致しない点にも留意する必要がある.

3. 酵素活性制御因子

酵素活性の制御因子として,リン酸化および還元力が知られている.上述したように,たとえば,トウモロコシBEIIbのリン酸化がSSI–BEI–BEIIbタンパク質複合体の形成を促進することが報告されている(17)17) F. Liu, Z. Ahmed, E. A. Lee, E. Donner, Q. Liu, R. Ahmed, M. K. Morell, M. J. Emes & I. J. Tetlow: J. Exp. Bot., 63, 1167 (2012)..BEIIbのセリン残基(Ser286, Ser297, Ser649)のリン酸化により複合体が合成され,脱リン酸化されると脱複合体化が起こる(18)18) A. Makhmoudova, D. Williams, D. Brewer, S. Massey, J. Patterson, A. Silva, K. A. Vassall, F. Liu, S. Subedi, G. Harauz et al.: J. Biol. Chem., 289, 9233 (2014).

緑葉では,AGPaseやSS活性が光還元化されて活性化し,澱粉合成が促進される.葉では澱粉は光合成条件で合成され,暗条件では停止するが,この現象は酵素の活性化で説明できる.この還元化には,チオレドキシン(Trx)やNADP–チオレドキシンリダクターゼ(NTRC)が関与する(19)19) K. Skryhan, L. Gurrieri, F. Sparia, P. Trost & A. Blennow: Front. Plant Sci., 9, 1344 (2018).

4. 初期過程

これまで述べてきた澱粉合成過程は,ほとんどすべてが,プライマーをもとに合成する過程である.これを「増幅過程」または「再生産過程」と呼ぶことにする.アミロペクチンはいわゆるクラスター構造をして,クラスターと呼ばれる単位構造が多数連なった構造をしている.クラスター内部の鎖の直鎖部分の長さがグルコース重合度(DP: degree of polymerization)で10以上になると,隣り合う2本の鎖同士がらせんを形成する.この二重らせん形成が,疎水性,糊化性など,澱粉特有の性質の主要な原因となる.さらに,クラスターの長さは,澱粉の種類にかかわらずほぼ一定(約9~10 nm)で,これを「9 nm repeat」と呼び,二重らせん構造とともにこの性質が澱粉の高次構造,結晶性の基礎となっている(図1A図1■アミロペクチン合成における主要アイソザイムのはたらき).

増幅過程に加えて,グルコース,マルトースなどの単純な糖からプライマーを合成する初期過程があるはずである.筆者は,単純な糖からクラスター構造の形成までを初期過程とし,クラスター構造をもつグルカンをプライマーとしてアミロペクチンを合成する過程を増幅過程とする作業仮説を提案した(16, 20)16) Y. Nakamura, M. Ono, T. Sawada, N. Crofts, N. Fujita & M. Steup: Plant Sci., 264, 83 (2017).20) Y. Nakamura: “Starch: Metabolism and Structure,” ed. by Y. Nakamura, Springer, Tokyo, 2015, pp. 315–332.図4図4■澱粉合成における増幅過程と初期過程).この作業仮説に従えば,従来の研究は,ほとんどが増幅過程に関するもので,初期過程の炭素フローは増幅過程に比べて顕著に小さいことが予想され,この過程の解明研究の困難さが推測できる.なお,澱粉合成の初期過程に関する研究で現在世界をリードしている研究は,澱粉粒形成の初期過程を扱うタイプ(21)21) B. Pfister & S. Zeeman: Cell. Mol. Life Sci., 73, 2781 (2016).と,筆者らが提唱するグルカン分子構造の発達段階を扱うタイプ(16, 20)16) Y. Nakamura, M. Ono, T. Sawada, N. Crofts, N. Fujita & M. Steup: Plant Sci., 264, 83 (2017).20) Y. Nakamura: “Starch: Metabolism and Structure,” ed. by Y. Nakamura, Springer, Tokyo, 2015, pp. 315–332.とに分かれる.後者の研究の端緒は,イネpho1変異体の解析研究から拓かれた(22)22) H. Satoh, K. Shibahara, T. Tokunaga, A. Nishi, M. Tasaka, T. W. Okita, N. Kaneko, N. Fujita, M. Yoshida, Y. Hosaka et al.: Plant Cell, 20, 1833 (2008)..表現型を詳しく解析し,Pho1が初期過程に関与する考えが導かれたのである.Pho1はBEと機能的に緊密な相互作用をしていることが,精製酵素を用いたin vitro実験から証明された(14)14) Y. Nakamura, M. Ono, C. Utsumi & M. Steup: Plant Cell Physiol., 53, 869 (2012)..またPho1がマルトースと反応し,グルカンを合成できることも明らかにされた(16)16) Y. Nakamura, M. Ono, T. Sawada, N. Crofts, N. Fujita & M. Steup: Plant Sci., 264, 83 (2017)..また,SSIもBEと相互作用して極めて低濃度のプライマーからグルカン合成する能力を有し,初期過程に関与する可能性が高いことが示された(15)15) Y. Nakamura, S. Aihara, N. Crofts, T. Sawada & N. Fujita: Plant Sci., 224, 1 (2014)..Pho1–BEとSSI–BEは,弱い結合状態を形成し,分岐グルカンの合成過程に関与すると推定される(16)16) Y. Nakamura, M. Ono, T. Sawada, N. Crofts, N. Fujita & M. Steup: Plant Sci., 264, 83 (2017)..一方,単純糖からの直鎖グルカンは,Pho1あるいはSSが関与していると思われる.ここでは,直鎖グルカンと分岐グルカンの代謝経路は,関与する酵素が異なり,互いに分離している(図4B図4■澱粉合成における増幅過程と初期過程).このように,初期過程では,増幅過程では関与しない酵素アイソザイムまたはアイソザイム複合体が重要な働きを果たすことに注目する必要がある.初期過程を構成する基礎反応のさらなる詳細な役割としくみは,in vivo実験によっても証明されなければならない.SSIは短鎖伸長に特化しているが,Pho1は広範な鎖長の鎖に反応するため,鎖長が一定の範囲に収まる必要があるクラスターの形成には不向きである.したがって,Pho1–BE反応は分岐デキストリンから効率的に分岐グルカンを合成し,初期過程の前半部に関与すると思われる.SSI–BEはそれよりも後半の段階で機能していると予想される.それ以外にどのような酵素が役割を果たし,どのような構造のグルカン中間体が重要なポイントに位置しているかなど,まだまだ不明な点が多く残されていて,興味が尽きないテーマである.動物細胞およびバクテリアのグリコーゲンの初期過程は解明が進んでいる(23)23) P. J. Roach, A. A. Depaoli-Roach, T. D. Hurley & V. S. Tagliabracci: Biochem. J., 441, 763 (2012).が,澱粉合成特有の初期過程があるに違いない.

図4■澱粉合成における増幅過程と初期過程

(A)アミロペクチン合成における初期過程と増幅過程.アミロペクチン合成において,初期過程は,単純糖(マルトースなど)から初期クラスター構造をもつグルカン(プレ・アミロペクチン)までの過程で,Pho1–BEやSSI–BEが重要な役割を果たす.増幅過程では,プレ・アミロペクチンのクラスタープライマーとして用い,これを再生産することによって,アミロペクチンの分子数を増やす.通常のアミロペクチン合成はこの過程を指す.通常の生理条件下では,マスフローも,初期過程に比べ,圧倒的にこの過程が大きいと思われる.(B)初期過程におけるPho1, Pho1–BE, SSI–BEの役割(概念図)(16)16) Y. Nakamura, M. Ono, T. Sawada, N. Crofts, N. Fujita & M. Steup: Plant Sci., 264, 83 (2017)..直鎖状グルカン合成と分岐状合成は明確に分離されていると思われる.詳細は,本文参照.

5. アミロプラスト関連要因

穀類胚乳に特化された澱粉合成過程は,合成され蓄積される場であるアミロプラストの分裂,発達と強く関連している違いない.イネの澱粉粒はアミロプラスト内部に形成された膜構造の区画に格納されて多角形になる可能性が高い(24)24) 川越 靖:化学と生物,51, 478 (2013)..事実,膜構造に局在しているイネSSIVbの二重変異体ss4b/ss3aは,区画は正常に形成されず,澱粉粒は球形になる(25)25) Y. Toyosawa, Y. Kawagoe, R. Matsushima, N. Crofts, M. Ogawa, M. Fukuda, T. Kumamaru, Y. Okazaki, M. Kusano, K. Saito et al.: Plant Physiol., 170, 1255 (2016)..また,イネのアミロプラストおよび澱粉粒の形態,大きさが異常になる変異体も単離されている(26, 27)26) R. Matsushima, M. Maekawa, M. Kusano, H. Kondo, N. Fujita, Y. Kawagoe & W. Sakamoto: Plant Physiol., 170, 1445 (2016).27) R. Matsushima, M. Maekawa, M. Kusano, K. Tomita, H. Kondo, H. Nishimura, N. Crofts, N. Fujita & W. Sakamoto: Plant Physiol., 164, 623 (2014)..これはアミロプラストの発達が阻害された結果である可能性が高い.

イネ胚乳にはアミロプラスト内に複数の澱粉粒が生成されており,これを複粒澱粉と呼ぶ.一方トウモロコシでは,1個のアミロプラストには単一のアミロプラストしか含まず,これを単粒澱粉と呼ぶ.植物種によっては単粒澱粉と複粒澱粉とをもつ混合型の植物もある(28)28) R. Matsushima, J. Yamashita, S. Kariyama, T. Enomoto & W. Sakamoto: J. Appl. Glycosci., 60, 37 (2013).

6. 代謝系間の相互作用

貯蔵器官では,胚乳細胞はスクロースからの澱粉生産に特化しているが,澱粉合成過程はオルガネラ間をまたがる代謝系の相互作用のもとに成り立っている.澱粉合成に直接関与する酵素以外の遺伝子が欠損した澱粉変異体があり,たとえばfloury変異体と呼ばれる一連の変異体が7系統も単離されていて,その多くが転写因子である(29)29) Y. Nakamura: Starch, 70, 1600375 (2018)..トランスクリプトーム分析からも,複数のアイソザイム遺伝子が胚乳の登熟過程で時期特異的に,また胚乳組織の部位特異的に発現が制御されていることが多数の文献で報告されている(30)30) T. Ohdan, P. B. Francisco Jr., T. Sawada, T. Hirose, T. Terao, H. Satoh & Y. Nakamura: J. Exp. Bot., 56, 3229 (2005)..これらの統合的な発現制御因子の詳細は今後の研究で解明されるであろう.

産業利用への展開と課題

第3期の大きな目標は,澱粉研究の成果を産業利用に結びつけることで,とりわけ農業分野へのインパクトが期待される.その道は容易ではないが,大きな可能性が秘められていると感じる.以下にイネを例にして述べる.

農業分野への最も明確な貢献は,変異体などの新規澱粉形質をもつイネを品種化し,そのコメを利用して商品を開発することである.澱粉のタイプとしては,難消化性タイプ,高アミロースタイプ,高保水性タイプ,球形澱粉タイプなど,実に多種多様である(29)29) Y. Nakamura: Starch, 70, 1600375 (2018)..同じ高アミロースタイプでも,ジャポニカ型(ss2a),インディカ型(SSIIa),高アミロース要因遺伝子(GBSSI, be2b, ss3aタイプ(31)31) N. Fujita, M. Yoshida, T. Kondo, K. Saito, Y. Utsumi, T. Tokunaga, A. Nishi, H. Satoh, J. Park, J. Jane et al.: Plant Physiol., 144, 2009 (2007).など)によっても,製品の品質は大きく異なる.こうしたコメは,パン,うどん,菓子,ビーフン,コメ粉など,加工米として利用でき,従来のおいしさを追求した米飯品種とは一線を画して栽培できる.新食感,新機能を付与した商品が開発される可能性がある.これが実現すれば,米飯米とは異なるコメの利用拡大につながるので,農地の利用拡大という観点からも農業に貢献できるであろう.

基礎研究を通じて生まれる可能性のある系統はまちまちであり,高収量,高品質,耐病性,環境ストレス耐性などがあるが,優良品種として農地で栽培されるためには,いくつかの乗り越えるべきハードルがある.効率的な新品種作出方法としてのゲノム編集技術も期待される.この技術の社会受容が進めば,この方法が新品種作出技術として普及する時代が来るかもしれない(32)32) 小松 晃:化学と生物,56, 819 (2018).

わが国の現状では,バイオ澱粉をもつ新規イネ品種の提案は,試験研究機関から発せられるケースが多いと予想される.知財の確保,品種化,品種登録に至る段階は,新品種の開発を通常業務としていない試験研究機関では,国または県の農業試験場の協力が欠かせない.品種登録後の原原種および原種の保存・育成も同様である.従来農業試験場では,変異体育種は少なくとも主要なターゲットとして位置づけられてこなかったため,両者で新しい協力体制を築く必要がある.また,商品生産を担うメーカーと商品開発を行うとしても,開発研究,品質評価や認証,ヒト試験などの機能性試験が欠かせない.また,原材料を確保するため,栽培してくれる農家探しも必要となる.加えて,市場調査および販路開拓も新たに行う必要もある.こうした多数の段階の課題をすべてクリアできないと実用化・商品化は実現しない.こうした段階を進めるためのイニシアティブは,澱粉研究者自身が担うあるいは関与しないとスムーズにいかないことが多い.時間,労力,資金,技術面,インフラ整備などで大きなハードルが立ちはだかっている.研究者は知財またはノウハウの許諾だけで済ませ,製品化や販売はメーカーに委ねるのが理想かもしれないが,現実とはまだまだ距離があると感じる.

今後の行方

澱粉生合成論は,量子論と共通性があるように思う.個々の酵素アイソザイムの構造および酵素の特性はすでに解明されたのであるが,多数の酵素反応産物である澱粉構造に関する情報は断片的である.微細構造のある局面に関する情報,たとえば二重らせん構造の特徴および要件に関する情報は完璧であり,澱粉の鎖長分布の情報は山のようにあるが,分岐結合の位置に関する確たる情報はほとんどない.澱粉粒のサイズおよび形態の情報は完璧であるが,澱粉粒内部の高次構造,たとえばスーパーらせん構造,球塊構造に関しては,研究者間で見解が大きく異なる(8, 9)8) S. Pérez & E. Bertoft: Starch, 62, 389 (2010).9) 貝沼圭二:化学と生物,50, 203 (2012)..他方,澱粉分子の微細構造の特徴,澱粉粒の化学構造・高次構造が影響する澱粉の物性に関しては,無数の情報がある.生合成制御を考察する際には,これらの情報に矛盾のないメカニズムを組み立てなければならない.空白部分のある切り取った情報から組み立てられた仮説は直ちにすべての人を納得させるものとはならず,空白部分を次第に埋めながら確度・精度を上げていくほかはない.小さな改良の繰り返しである.現在はこうした状態である.

代謝に興味をもつ者にとって,澱粉代謝ほど面白いテーマはない.酵素は自らが作ったグルカン構造が変化するたびに大きく反応性を変える.酵素間の相互作用の実態はまだ想像段階にとどまっているが,現象面から判断される機能的な相互作用は驚くほどダイナミックで多様性に富んでいる.知見が増えるたびに予想以上に新たに大きな地平が開かれる.深遠な制御メカニズムの完全な理解は人知を超える.研究者は白紙のカンバスに向かって作品を仕上げる快感を味わうことができる.個性が語りかける成果は,時代を反映している.世界に群像が駆け巡る.

経済繁栄圏のグローバル化,IT時代を反映し,一部の科学先進国だけが基礎科学の進歩を担う時代ではなくなった.イネ研究でも,日本が世界をリードしてきた時代もすでに過ぎ去ろうとしている.コメを食料源とするアジア各国にとっては,コメの多角的な利用は上位の政策目標でもある.成果の結実期から収穫期を迎えている澱粉科学研究の現在,現場の研究者の目にはあらゆる角度からエキサイティングな分野であるのに,周囲からは,すでに発達段階が最盛期を越えて新鮮味の乏しい分野である印象をもたれる傾向なしとしない.ますます新しいタイプの発見が待たれ,重要性がますます高まっているにもかかわらず,一部であってもこうした傾向があるのはたいへん残念である.実用化が成功するためには,基礎研究の発展が欠かせない.本研究分野では,ビッググループが勝利する,つまりオリジナリティーの高い重要な成果をあげるとは限らない.熟練の技,個人技が勝利する可能性も高いのである.洞察力に裏打ちされた独創性の高い大きな成果は,グループのサイズに直接は関係しない.この分野の重要性,やりがいが正しく評価され,若い学生,研究者が多く取り組む時代が来るよう切に願うものである.

Reference

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