日本主導：この研究は、筆頭著者・責任著者、または著者の主要所属が日本の研究機関である研究です。

掲載誌：Journal of Fungi

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

食品工業や発酵工業から出る副産物や発酵残さには、炭素源や栄養分が多く含まれています。微生物の培養原料として使えば、廃棄物を減らしながら有用な物を作れます。こうした副産物には乳酸が含まれることがよくあります。乳酸発酵による酸性化は、腐りやすい副産物を保存する方法にもなります。ただし、乳酸はブドウ糖と違い、利用できる微生物が限られます。利用の効率も培養条件や栄養条件に大きく左右されます。使われずに残った乳酸は、排水処理の費用や環境負荷を増やすおそれがあります。

研究チームが対象にしたのは、日本の伝統的な発酵食品づくりに長く使われてきた安全な微生物、麹菌（アスペルギルス・オリゼ）です。麹菌は多様な食品成分を利用できます。一方で、乳酸の利用を促す条件は十分に分かっていませんでした。酵母エキスのような多くの成分を含む栄養源の場合、どの成分が効いているのかもはっきりしていませんでした。乳酸を利用するときに菌の代謝がどう反応するかも、詳しく調べられていませんでした。

そこで研究チームは、三つのことを目指しました。麹菌の乳酸を利用する力を確かめること。乳酸の利用を妨げている代謝上の要因を推定すること。そして、乳酸の利用を促す栄養条件と環境条件を見つけることです。

何を、どのように調べたか

主に使ったのは、麹菌の代表的な野生株RIB40です。RIB40は全遺伝情報が詳しく解読されています。基本の培地には、炭素源としてブドウ糖か乳酸のどちらか一方だけを1リットルあたり5グラム含む合成培地を使いました。培地中の糖や乳酸がどれだけ減ったかを測り、菌の育ち具合と比べました。菌の量は、菌体から抽出した核酸の量から乾燥重量を推定する方法で比べました。著者らは、この推定値が菌体量の絶対的な値ではなく、条件間を比べるための目安だと断っています。

次に、RNAシーケンシングという手法を使いました。これは、菌の中でどの遺伝子がどれだけ働いているかを網羅的に調べる手法です。比べた条件は三つで、それぞれ3回ずつ独立に培養しました。ブドウ糖培地、乳酸だけの培地、そして乳酸培地に少量（1リットルあたり1グラム）のブドウ糖を加えた培地です。

さらに、乳酸培地に次の成分を加えて効果を比べました。ブドウ糖（濃度を変えて試験）、ほかのさまざまな糖類、タンパク質を構成する20種類のアミノ酸（1種類ずつ1リットルあたり0.5グラム）です。クエン酸回路の中間物質であるα-ケトグルタル酸と、窒素源である硫酸アンモニウムの増量も試しました。クエン酸回路は、細胞がエネルギーや体をつくる材料を生み出す中心的な代謝経路です。培地のpHについては、通常の中性付近と、酸性のpH3.8を比べました。酸性条件では酵母エキスの効果も確かめました。最後に、RIB40以外の麹菌11株でも、同じような促進効果が見られるかを調べました。

主な報告結果

乳酸だけを炭素源にした培地では、培養の間ずっと乳酸が減らず、菌もわずかしか増えませんでした。研究チームはこの結果から、麹菌は乳酸だけでは効率よく育てないと述べています。ブドウ糖培地では、ブドウ糖が48時間以内に使い切られ、菌は活発に育ちました。

乳酸培地に1リットルあたり1グラムのブドウ糖を加えると、状況が大きく変わりました。まず初期にブドウ糖が使われ、それがなくなった後に乳酸の消費が進みました。120時間後には、最初にあった乳酸の約53.1％が消費されました。菌体量の推定値は1リットルあたり1.8グラムでした。乳酸だけ（0.4グラム）とブドウ糖1グラムだけ（0.7グラム）の値を足した量を上回り、消費された乳酸の少なくとも一部が菌体づくりに使われたと示唆されました。1リットルあたり0.2グラムという少量のブドウ糖でも乳酸の利用は始まり、ブドウ糖の量が多いほど乳酸の消費量は増えました。

この効果はブドウ糖に限りませんでした。ショ糖、果糖、キシロース、デンプン、麦芽糖、グリセロール、ソルビトール、ラムノースを加えた場合も、72時間以内に最初の乳酸の40％以上が消費され、菌の育ちもよくなりました。アミノ酸では、アルギニン、プロリン、アラニン、チロシン、グルタミン酸の5種類が乳酸の消費を大きく促しました。72時間以内に40％以上が消費され、菌体量の推定値は1リットルあたり約1.2〜1.8グラム増えました。

アルギニン、プロリン、グルタミン酸は、代謝されるとα-ケトグルタル酸やアンモニアの供給につながります。そこで、α-ケトグルタル酸そのものを加えたところ、120時間以内に乳酸の44.4％が消費されました。窒素源を増やした条件と組み合わせた場合は43.8％でした。窒素源を増やすだけでは効果は限られていました。研究チームは、α-ケトグルタル酸の効果は窒素の量にはほぼ左右されないとしています。

酸性のpH3.8では、乳酸の利用と菌の育ちがさらに向上しました。ブドウ糖を少量加えた条件では、乳酸が72時間以内にすべて消費されました。菌体量の推定値は1リットルあたり3.0グラムで、中性条件の72時間時点の1.7倍でした。プロリンを加えた条件と、α-ケトグルタル酸と窒素源を加えた条件でも、乳酸は120時間以内にすべて消費されました。酵母エキスを1リットルあたり0.5グラム加えた条件でも、120時間以内に乳酸がすべて消費されました。研究チームは、酵母エキスがアミノ酸源として実用的だとしています。また、ブドウ糖を少量加えたpH3.8の条件では、調べたほかの11株すべてで、乳酸だけのpH5.8の条件より乳酸の消費と菌の育ちが大きく向上しました。

遺伝子の働き方を比べると、ブドウ糖培地と乳酸だけの培地の間で3415個の遺伝子の働きが大きく異なっていました。乳酸だけの培地では、乳酸を細胞内に取り込む輸送体の遺伝子と、乳酸をピルビン酸に変える酵素の遺伝子の働きが高まっていました。一方、ピルビン酸をクエン酸回路へ送り込む経路に関わる遺伝子（PdhB、PdhC、Pdc）の働きは低下していました。ブドウ糖を少量加えた条件では、ブドウ糖がなくなり乳酸が主な炭素源になった後も、これらの遺伝子の働き方がブドウ糖培地に近い方向へ変化していました。ただし、この変化は統計的に有意ではありませんでした。

この報告が示すこと

研究チームは、麹菌が乳酸を利用できるかどうかは、菌の代謝の状態と環境条件によって決まると結論づけています。遺伝子の働き方から見ると、乳酸の取り込みそのものよりも、乳酸から生じたピルビン酸の炭素をクエン酸回路へ流し続けられるかどうかが鍵である可能性があります。効果を示した糖やアミノ酸、α-ケトグルタル酸は種類がさまざまでした。そのため著者らは、特定の物質が効くというより、クエン酸回路への炭素の供給を改善する代謝の働きが重要だと解釈しています。また、遺伝子の働きを調べた時点ではブドウ糖はすでになくなっていました。著者らはこの点から、一時的に少量の糖に触れたことが、その後の代謝の状態に影響を残している可能性も挙げています。

ただし著者らは、この仕組みは仮説だと明記しています。遺伝子の働き方は、実際の酵素の活性や代謝の流れをそのまま反映するとは限らないためです。低いpHの効果は、どの添加条件でも一貫して見られました。乳酸は酸性になるほど電荷を持たない形が増え、細胞膜を通りやすくなります。これが一つの説明として挙げられています。しかし、細胞内の乳酸濃度や輸送体の働きは測定されておらず、低いpHが菌の生理や遺伝子の働きに広く影響した可能性もあります。そのため、低いpHが乳酸の利用を促す仕組みはまだ分かっていません。

それでも研究チームは、乳酸の利用を促す効果が複数の麹菌株で共通して見られた点を重視しています。今回の成果は、乳製品の加工や乳酸発酵などから出る乳酸を多く含む副産物を、麹菌で菌体などの有用な物に変える工程づくりの基盤になると位置づけています。

原著論文の著者・所属：Hiroki Kikuta（Institute of Food Research, National Agriculture and Food Research Organization, 2-1-12 Kannondai, Tsukuba 305-8642, Ibaraki, Japan）、Masamichi Muto（Microbial Technology Research Section, Biotics Research Institute, R&D Division, Morinaga Milk Industry Co., Ltd., 5-1-83 Higashihara, Zama 252-8583, Kanagawa, Japan）、Naoko Tanaka（Microbial Technology Research Section, Biotics Research Institute, R&D Division, Morinaga Milk Industry Co., Ltd., 5-1-83 Higashihara, Zama 252-8583, Kanagawa, Japan）、Tsuyoshi Tanaka（Institute of Crop Science, National Agriculture and Food Research Organization, 2-1-2 Kannondai, Tsukuba 305-8518, Ibaraki, Japan; Research Center for Advanced Analysis, National Agriculture and Food Research Organization, 2-1-2 Kannondai, Tsukuba 305-8518, Ibaraki, Japan）、Junichi Mano（Faculty of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba 305-8572, Ibaraki, Japan; Institute of Food Research, National Agriculture and Food Research Organization, 2-1-12 Kannondai, Tsukuba 305-8642, Ibaraki, Japan）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Hiroki Kikuta, Masamichi Muto, Naoko Tanaka, et al. Enhancing Lactate Assimilation in Aspergillus oryzae by Small Amounts of Metabolic Co-Substrates and Low pH. Journal of Fungi（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-10. DOI: 10.3390/jof12090679. 原著ライセンス：CC BY.