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月桂冠総合研究所
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髪に優しいメラニン白髪染め。原料の発酵生産に成功

月桂冠総合研究所は、清酒醸造において重要な働きをする麹菌の基礎と応用に関する研究を進めてきました。1990年代後半から麹菌の有用遺伝子の解析を行う中で、酒粕に黒い斑点を生じる「黒粕現象」の原因として、麹菌の固体培養(米麹など)で特異的に発現する新規麹菌チロシナーゼ遺伝子(melB)を単離しました1)。黒粕の黒い斑点は、この麹菌チロシナーゼにより生成された黒色色素メラニンでした(「酒粕は色白がお好み?麹菌がつくるチロシナーゼを発見」を参照)。

一方、近年、美容を含むQOL (Quality of Life)に関心が高まる中で、毛髪の色素であり、紫外線で誘導される皮膚の着色色素でもある黒色色素メラニンと、メラニン生成酵素であるチロシナーゼに関する研究が盛んに進められています。今回月桂冠総合研究所は、新規麹菌チロシナーゼの安定供給を達成し、さらに麹菌チロシナーゼを用いたメラニン前駆体の工業生産に世界で初めて成功しました。このメラニン前駆体は、「花王株式会社」との共同研究により、新しいタイプの白髪染めの原料として利用されています。この共同研究の成果は、フジサンケイビジネスアイ第24回独創性を拓く先端技術大賞特別賞(2010年)および公益社団法人日本生物工学会から技術賞(2011年)を受賞しています。

<研究キーワード:チロシナーゼ、メラニン前駆体、ドーパクロム(Dopachrome)、5,6-ジヒドロキシインドール(DH-Indole)、染毛料/染毛剤(白髪染め)>

研究テーマ 麹菌チロシナーゼを用いたメラニン前駆体の工業生産技術の開発

【実験目的】

黒色色素メラニンは、チロシナーゼによってつくられたメラニン前駆体(低分子化合物)が自発的にメラニンを形成することにより生成します。黒色色素メラニン生成反応を制御するために、チロシナーゼを用いたメラニン前駆体生産についても研究が進められていました。図1に示すように、メラニン前駆体は、チロシンやDOPAなどの酸化反応により生成し、酸素の存在下でさらに自発的に反応し高分子の黒色色素メラニンに変わります。よって、チロシンやDOPAの酸化反応の中間体であるメラニン前駆体を蓄積させることは非常に困難であり、これまでメラニン前駆体の蓄積を工業的に成功させた事例はありませんでした。そこで、月桂冠総合研究所は、醸造微生物の研究で培った技術を活用し、麹菌チロシナーゼを用いたメラニン前駆体の工業生産技術の開発を試みました。具体的には、チロシンやDOPAに麹菌チロシナーゼを作用させる反応において、チロシナーゼ活性を高め、メラニン前駆体を生成する反応の速度だけを著しく高めることでメラニン前駆体を蓄積させることができると考えました。

図1 メラニンの生成経路

【実験結果および考察】

メラニン前駆体製造方法の開発

● DOPAからDopachrome (ドーパクロム)の蓄積

精製した麹菌チロシナーゼを基質であるDOPA溶液に作用させ、ドーパクロムの蓄積に及ぼすpHと温度の影響を評価しました。その結果、ドーパクロムを蓄積させる麹菌チロシナーゼの反応条件としては、pH 5.5付近、温度15~25℃が最適であることが明らかとなりました。麹菌チロシナーゼ活性を高めることで、メラニン生成経路におけるドーパクロムの上流の反応速度と下流の反応速度に差が生じ、ドーパクロムを蓄積させることに成功しました(図2)。

図2 チロシナーゼ高活性化によるDopachromeの蓄積

● ドーパクロムからDH-Indole (5,6-ジヒドロキシインドール)への変換

ドーパクロムは、自発的変換反応により、5,6-ジヒドロキシインドール又はDH-IndoleCA (5,6-ジヒドロキシインドール-2-カルボン酸)に変換します。高純度のメラニン前駆体5,6-ジヒドロキシインドールを得るため、ドーパクロムからメラニン前駆体5,6-ジヒドロキシインドールへ選択的に変換する条件検討を行いました。その結果、ドーパクロムの蓄積後、脱酸素条件下において、pHを中性付近に保つことで、ドーパクロムのほぼ全量をメラニン前駆体5,6-ジヒドロキシインドールに変換させることに成功しました。

● メラニン前駆体5,6-ジヒドロキシインドールの工業生産

上記検討をもとに、メラニン前駆体の工業的な生産方法の開発を行いました。まず、反応触媒である麹菌チロシナーゼの大量発酵生産を確立しました。次に、バッチ式反応槽におけるDOPAの酸化反応の条件検討を行い、ガス制御とpH制御によりメラニン前駆体5,6-ジヒドロキシインドールを確実に蓄積する条件を開発しました。さらに、蓄積させたメラニン前駆体5,6-ジヒドロキシインドールを脱酸素条件を維持することで長期安定保存を可能にしました。これらの検討を重ねた結果、最終的に図3に示す、3つのプロセスからなるメラニン前駆体5,6-ジヒドロキシインドールの製造方法を確立し、メラニン前駆体を麹菌チロシナーゼを用いたバイオ生産によって、安定的に工業スケールで大量供給することに世界で初めて成功しました。

図3 メラニン前駆体のバイオ生産システム

技術の応用:メラニン前駆体を利用した新規染毛料の開発

黒色色素メラニンは、低分子化合物が連なった高分子化合物であるため、毛髪などの被染色物に浸透できず、そのままでは毛髪などの被染色物を染色することができません。一方、低分子化合物であるメラニン前駆体は、毛髪などの被染色物に浸透し、毛髪などの被染色物内部でメラニンを形成する性質があり、染毛料としての利用価値があると考えました(図4)。

図4 メラニンとメラニン前駆体の違い

長年の毛髪研究から独自の染毛技術をもつ「花王株式会社」との共同研究を通じて、メラニン前駆体生産技術の開発、及びメラニン前駆体を染毛料用途として安定かつ効果的に利用する方法を検討しました。その結果、2009年に植物原料由来のメラニン色素で簡単に染毛できる商品「サクセス ステップカラー(http://www.kao.co.jp/success/step/index.html)」を発売しました。開発した染毛料は、1.毛髪表層のキューティクルにメラニン前駆体が浸透し、キューティクルの中でメラニンが生成して白髪を徐々に染めること、2.毛髪には直接作用せず、酸化剤も不要なため、毛髪や頭皮へのダメージが少ないという特徴があります2) (図5)。

図5 開発した染毛料の特徴

おわりに

清酒醸造において古くから使われてきた醸造微生物を利用することで、麹菌チロシナーゼによるメラニン前駆体を工業生産することに成功しました。醸造微生物は、長年の食経験から高い安全性を有すると考えられるため、醸造微生物を利用して生産した有用物質は、幅広い分野で活用でき、人々のQOL向上に大いに役立つと期待されます。
本研究は、「花王株式会社」と月桂冠の異業種の技を活かし合いながら、新しい染毛料の商品化につながりました。清酒醸造では「黒粕」の原因として悪モノであった麹菌チロシナーゼを白髪染めに応用するという発想の転換は、まさに異業種コラボレーションの賜物だと言えます。今後も、異業種交流などを活用しながら柔軟な発想で研究開発に取り組み、豊かな生活文化の実現に貢献していきたいと考えています。

【謝辞】

    本研究は花王株式会社 ビューティケア研究センターとの共同研究であり、小池謙造博士をはじめとする関係各位に深く感謝申し上げます。

【受賞履歴】

    ◆天然由来の原料を用いて、黒髪が本来持つメラニンで白髪を染める技術の開発と実用化、フジサンケイビジネスアイ 第24回独創性を拓く先端技術大賞特別賞、2010
    東田 克也、秦 洋二、江波戸 厚子、神谷 光俊、小池 謙造
    ◆麹菌チロシナーゼで製造したメラニン前駆体による新規染毛料の開発、公益社団法人日本生物工学会 技術賞、2012
    中村 幸宏 、山中 寛之、秦 洋二、江波戸 厚子、小池 謙造

【学会発表】

    ◆麹菌チロシナーゼで製造したメラニン前駆体による新規染毛料の開発(1)(2)、日本生物工学会大会、2009
    ○山中 寛之、○中村 幸宏 、東田 克也、秦 洋二
    ◆天然原料由来のメラニン前駆体を用いた新しい白髪用染毛料の開発 (1)~(4) 、日本農芸化学会大会、2010
    ○山中 寛之、○鈴木 佐知子、中村 幸宏、○佐原 弘師、小高 敦史、嘉屋 正彦、久田 博元 、東田 克也、秦 洋二、斉藤 芳紀、渡邉 高明 、江波戸 厚子、岡部 寛子、斉宮 宏美、広田 修、斎藤 芳紀、岡田 一廣、○小池 謙造
    ◆麹菌チロシナーゼを用いた新規染毛料原料のバイオ生産、真核微生物交流会、2010
    ○佐原 弘師
    ◆メラニン前駆体を用いた新しい白髪用染毛料のバイオ生産、近畿化学協会バイオ部会、2010
    ○鈴木 佐知子
    ◆麹菌チロシナーゼで製造したメラニン前駆体による新規染毛料の開発 技術賞受賞講演、日本生物工学会大会、2011
    ○中村 幸宏 、山中 寛之、秦 洋二、江波戸 厚子、小池 謙造
    ◆麹菌チロシナーゼを応用した新規染毛料の開発、レドックス・ライフイノベーション シンポジウム、2011
    ○中村 幸宏
    ◆麹菌チロシナーゼで製造したメラニン前駆体による新規染毛料の開発、酵素工学研究会、2012
    ○中村 幸宏

【論文】

    ◆佐原 弘師: 黒粕から白髪染め -醸造研究からの新規染毛料開発-, バイオサイエンスとインダストリー, 68, 350-353 (2010)
    ◆中村 幸宏 、山中 寛之、秦 洋二、江波戸 厚子、小池 謙造: 麹菌チロシナーゼで製造したメラニン前駆体による新規染毛料の開発, 生物工学会誌, 50, 552-556 (2012)
    ◆中村 幸宏: 清酒醸造と白髪染め, 化学と生物, 50, 691-695 (2012)

【参考文献】

  1. Obata, H. et al. : Cloning of a novel tyrosinase-encoding gene (melB) from Aspergillus oryzae and its overexpression in solid-state culture (Rice Koji), J. Biosci. Bioeng., 97, 400-405 (2004)
  2. 小池 謙造、秦 洋二: 天然由来メラニン前駆体の開発とそれを利用した簡便な染毛技術, フレグランスジャーナル, 356, 16-20 (2009)

【関連特許】

  1. 特許第3903125号:新規チロシナーゼ遺伝子melB、小畑 浩、石田 博樹、秦 洋二、川戸 章嗣、安部 康久、赤尾 健、秋田 修、一島 英治
  2. 方法特許第4395436号:染毛剤組成物、小池 謙造、斉藤 芳紀、小畑 浩、中村 幸宏、秦 洋二 米国特許U.S. PAT.No.007776105: Hair dye composition, Kenzo Koike, Yoshinori Saito, Hiroshi Obata, Yukihiro Nakamura, Yoji Hata 中国特許PAT.No.ZL201010216243.0: Hair dye composition, Kenzo Koike, Yoshinori Saito, Hiroshi Obata, Yukihiro Nakamura, Yoji Hata
  3. 方法特許第4578221号:メラニン前駆体の製造方法、小畑 浩、東田 克也、中村 幸宏、秦 洋二、川戸 章嗣、安部 康久
  4. 方法特許第4955920号:染毛剤組成物、小池 謙造、斉藤 芳紀、小畑 浩、中村 幸宏、秦 洋二

(掲載日:2013年4月18日)

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