コマガタエラ

コマガタエラ
コマガタエラ・ファフィ[1] GS115
科学的分類
ドメイン：	真核生物
王国：	菌類
分割：	子嚢菌類
クラス：	サッカロミセス
注文：	サッカロミケス綱
家族：	ファフォミセス科
属:	コマガタエラ 山田裕貴、松田正人、前田和久、三方、1995
種
テキストを参照

コマガタエラはサッカロミケス目に属するメチロトローフ 酵母である。1960年代にピキア・パストリスとして発見され、メタノールを炭素源およびエネルギー源として利用する特徴があった^{。 [2]} 1995年、 P. pastorisはコマガタエラ属の唯一の代表として再分類され、コマガタエラ・ファフィとなった。 ^[3]その後の研究でこの属にはさらに新しい種が区別され、合計7種が認められている。 ^[4] 2023年現在でも、タンパク質生産の文脈で古い名前がまだ使用されているのを目にすることは珍しくない。 ^{[5]あまり正式でない用法では、この酵母は紛らわしいほど}ピキアと呼ばれることがある。

長年の研究を経て、コマガタエラは生化学研究やバイオテクノロジー産業で広く利用されています。タンパク質生産のための発現システムとして、また遺伝学研究のモデル生物としての可能性を秘めており、 コマガタエラ・ファフィは生物学研究やバイオテクノロジーへの応用において重要になっています。^{[1] [5]}

GBIFによると: ^[4]

• コマガタエラ・クルツマニ G.I.ナウモフ、ESNaumova、Tyurin & Kozlov、2013
• コマガタエラ モンダヴィオルム G.I.ナウモフ、ESNaumova & KLBoundy-Mills、2018
• コマガタエラ・パストリス (Guillierm., 1919) 山田裕貴、松田正樹、前田和久、三方、1995
• Komagataella phaffii Kurtzman, 2005 – 産業利用と研究利用のほとんどを占めている^[6]
• コマガタエラ・ポピュリ・ クルツマン、2012
• コマガタエラ シュードパストリス (Dlauchy、Tornai-Leh.、Fülöp & G.Péter、2003) Kurtzman、2005
• コマガタエラ・ウルミ・ カーツマン、2012

自然界では、コマガタエラはクリの木などの樹木に生息しています。^{[7]コマガタエラは従属栄養生物であり、}グルコース、グリセロール、メタノールなどのいくつかの炭素源を生活に利用できます。^[8] しかし、ラクトースは使用できません。

コマガタエラは、出芽と子嚢胞子による無性生殖と有性生殖の両方を行うことができます。^[9]この場合、コマガタエラには、半数体細胞と二倍体細胞の2種類の細胞が存在します。無性ライフサイクルでは、半数体細胞は生殖のために有糸分裂を起こします。有性ライフサイクルでは、二倍体細胞は胞子形成と減数分裂を起こします。^[10] コロニーの成長率は、ほぼ0から工業プロセスに適した1時間の倍加時間まで、幅広い範囲で変化します。^[11]

過去数年間、コマガタエラは調査され、いくつかの利点を持つ優れたモデル生物であることが確認されました。まず、コマガタエラは研究室で簡単に増殖させて使用することができます。広く使用されている他の酵母モデルと同様に、寿命が比較的短く、再生時間が速いです。さらに、コマガタエラが細胞密度を高めて急速に増殖できるように、安価な培養培地がいくつか設計されています。^[12]コマガタエラ の全ゲノム配列決定が行われています。K . phaffii GS115ゲノムは、フランダースバイオテクノロジー研究所とゲント大学によって配列決定され、Nature Biotechnologyに発表されました。^{[13]ゲノム配列と遺伝子注釈は、ORCAEシステムで閲覧できます。完全なゲノムデータにより、科学者は他の酵母種と}コマガタエラ間の相同タンパク質や進化的関係を特定できます。さらに、7種すべての配列は2022年までに解読されました。^[7]さらに、コマガタエラは単一の真核細胞であるため、研究者はコマガタエラ内のタンパク質を調査することができます。その後、他のより複雑な真核生物種との相同比較を処理し、それらの機能と起源を得ることができます。^[14]

コマガタエラのもう一つの利点は、よく研究されている酵母モデルであるサッカロミセス・セレビシエとの類似性である。生物学のモデル生物として、サッカロミセス・セレビシエは何十年にもわたってよく研究され、歴史を通じて研究者によって様々な目的で使用されてきた。2つの酵母属、ピチア（広義）とサッカロミセスは、成長条件と耐性が類似しているため、コマガタエラの培養は、多くの改変を加えることなく研究室で採用することができる。^[15]さらに、サッカロミセス・セレビシエとは異なり、コマガタエラは高分子量のタンパク質を機能的に処理する能力があり、これは翻訳宿主に有用である。^[16] これらすべての利点を考慮すると、コマガタエラは遺伝学的モデル生物としても実験モデル生物としても有用に利用できる。

コマガタエラは完全なゲノムデータを持ち、比較的小さなゲノムで複雑な真核生物の遺伝子処理を実行する能力があるため、遺伝子モデル生物として遺伝子解析や大規模な遺伝子交配に使用することができます。ペルオキシソーム組み立ての機能遺伝子は、コマガタエラの野生型と変異株を比較することで調査されました。^[17]

実験モデル生物として、コマガタエラは主に形質転換の宿主系として使われてきました。外来DNAとの組み換え能力や大きなタンパク質の処理能力があるため、コマガタエラを形質転換宿主として利用し、新しいタンパク質の生産の可能性や人工的に設計されたタンパク質の機能を調べる研究が数多く行われてきました。^[18]過去10年間で、コマガタエラは、以下に説明するように、標準的な実験モデル生物の典型的な用途である 発現システムプラットフォームを構築するために設計されました。

コマガタエラは、異種タンパク質の生産のための発現システムとして頻繁に使用されています。コマガタエラにはいくつかの特性があり、この用途に適しています。現在、コマガタエラのいくつかの株が バイオテクノロジーの目的で使用されていますが、成長とタンパク質生産には大きな違いがあります。^{[19]一般的な変異体の中には、} HIS4遺伝子に変異があり、発現ベクターでうまく形質転換できる細胞が選択されます。コマガタエラゲノムへのベクター統合技術は、サッカロミセス・セレビシエのものと似ています。^[20]

1. コマガタエラは シンプルで安価な培地で生育でき、成長率も高い。コマガタエラは振とうフラスコでも発酵槽でも生育できるため、小規模生産にも大規模生産にも適している。^[21]
2. コマガタエラには、 Aox1とAox2という2つのアルコール酸化酵素遺伝子があり、これらには強力な誘導性プロモーターが含まれています。^[22]これら2つの遺伝子により、コマガタエラはメタノールを炭素源およびエネルギー源として利用することができます。AOXプロモーターはメタノールによって誘導され、グルコースによって抑制されます。通常、目的のタンパク質の遺伝子はAox1プロモーターの制御下に導入されるため、培地にメタノールを添加することでタンパク質の生産を誘導できます。いくつかの研究の後、科学者は、コマガタエラのAOX1遺伝子に由来するプロモーターが、コマガタエラゲノムに形質転換され、異種タンパク質を生産する外来遺伝子の発現を制御するのに非常に適していることを発見しました。^[23]
3. コマガタエラは重要な特性を持ち、培養液中で極めて高い細胞密度で増殖することができる。この特性は異種タンパク質発現と互換性があり、より高い生産量をもたらす。^[24]
4. コマガタエラの遺伝子操作に必要な技術は、最もよく研​​究されている酵母モデル生物の一つであるサッカロミセス・セレビシエの技術と類似している。その結果、コマガタエラの実験プロトコルと材料は簡単に構築できる。^[25]

いくつかのタンパク質は適切な折り畳みにシャペロニンを必要とするため、コマガタエラは適切なシャペロンを持たないため、多くのタンパク質を生産することができません。哺乳類のシャペロニンの遺伝子を酵母ゲノムに導入し、既存のシャペロニンを過剰発現させる技術はまだ改善が必要です。^{[26] [27]}

標準的な分子生物学研究では、細菌大腸菌は、その速い増殖速度、高いタンパク質生産速度、および要求の厳しい増殖条件の少なさという特徴から、異種タンパク質を生産するための発現システムに最も頻繁に使用される生物である。大腸菌でのタンパク質生産は通常、コマガタエラでの生産よりも速いが、その理由は次の通りである。コンピテントな 大腸菌細胞は凍結保存でき、使用前に解凍できるが、コマガタエラ細胞は使用直前に生産する必要がある。コマガタエラでの発現収量はクローンによって異なるため、タンパク質生産について多数のクローンをスクリーニングし、最適な生産者を見つける必要がある。コマガタエラが大腸菌よりも優れている最大の利点は、コマガタエラはタンパク質にジスルフィド結合とグリコシル化を形成できるが、大腸菌はできないことである。^[28] 大腸菌は、ジスルフィドが最終産物に含まれていると誤って折り畳まれたタンパク質を生産し、不活性または不溶性のタンパク質を生成する可能性がある。^[29]

よく研究されているSaccharomyces cerevisiaeも、 Komagataellaと同様にE. coliよりも優れた利点を持つ発現システムとして使用されています。しかし、実験室や産業の環境において、 KomagataellaにはS. cerevisiaeよりも優れた点が 2 つあります。

1. 上で述べたように、コマガタエラはメチロトローフであり、単純なメタノールを唯一のエネルギー源として生育することができます。コマガタエラは、他のほとんどの微生物を死滅させるほどの濃度のメタノール溶液を含む細胞懸濁液中で急速に生育することができます。この場合、発現システムのセットアップと維持は安価です。
2. コマガタエラは非常に高い細胞密度まで増殖することができます。理想的な条件下では、細胞懸濁液が実質的にペースト状になるまで増殖することができます。微生物の発現システムからのタンパク質収量は、細胞あたりに生産されるタンパク質の積とほぼ等しいため、コマガタエラは高価な装置を使わずに大量のタンパク質を生産しようとするときに非常に役立ちます。^[28]

キイロショウジョウバエのS2細胞やチャイニーズハムスター卵巣細胞などの他の発現システムと比較すると、コマガタエラは通常、はるかに優れた収量をもたらします。一般的に、多細胞生物の細胞株は、アミノ酸、ビタミン、その他の成長因子を含む複雑で高価なタイプの培地を必要とします。これらのタイプの培地は、異種タンパク質の生産コストを大幅に増加させます。さらに、 コマガタエラは、タンパク質NMRなどの同位体標識アプリケーションに適した、 1つの炭素源と1つの窒素源のみを含む培地で成長できます。^[28]

Komagataella は、製薬業界など、さまざまなバイオテクノロジー業界で使用されています。すべての用途は、タンパク質を発現するというその特徴に基づいています。

過去数年間、コマガタエラはIFNγなど500 種類以上のバイオ医薬品の製造に使用されてきた。当初、このタンパク質発現システムの欠点の 1 つは、マンノース構造の高密度化による過剰なグリコシル化であり、これが免疫原性の潜在的な原因となっていた。^{[30] [31]} 2006 年に、研究グループは YSH597 と呼ばれる新しい株を作成することに成功した。^[a] この株は、真菌型のグリコシル化を担う酵素を哺乳類の相同酵素と交換することにより、エリスロポエチンを通常のグリコシル化形式で発現することができる。このようにして、グリコシル化パターンが変更されたことで、タンパク質が完全に機能するようになった。^[32]

醸造所やパン工場などの食品産業では、コマガタエラは加工助剤や食品添加物として、さまざまな機能を持つさまざまな種類の酵素を生産するために使用されています。たとえば、遺伝子組み換えコマガタエラによって生産された酵素の中には、パンを柔らかく保つことができるものがあります。一方、ビールでは、酵素を使用してアルコール濃度を下げることができます。^[33]組み換えホスホリパーゼCは、リン脂質を分解することで、リンを多く含む油を脱ガムすることができます。^[34]

動物飼料では、K. phaffiが産生するフィターゼが抗栄養素であるフィチン酸を分解するために使用されています。 ^[34]