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麹造りを科学するお米と麹菌の相性の秘密

固体培養とは固体状の基質の上に微生物を生育させて物質生産を行う方法です。固体培養は、清酒、味噌、醤油、納豆、チーズ、鰹節など、我々の身近な食品に広く応用されている培養法ですが、その物質生産の詳細なメカニズムは意外と明らかになっていません。これは基質と菌体が分離できないなど、固体培養を科学的に解析することが非常に困難であることに起因します。ここでは、清酒麹菌の固体培養でしか発現しない遺伝子を中心に、固体培養の興味深い事象について紹介します。

class "clr" の内容がここに入ります

固体培養の特徴

通常実験室で麹菌のような微生物を培養する場合は、フラスコなどに液体培地を入れて培養します。このような液体培養は、環境を整えることが容易で、培養後も速やかに菌体を回収できます。一方、固体培養では、培地と菌体を分離することができず、培養条件を一定にすることも困難です。(図1)ただし醸造発酵産業で重要な位置を占める酵素には、固体培養でしか生産されないものが多く、固体培養は健在です。

図1 培養方法と酵素生産
図1 培養方法と酵素生産

固体培養でしか発現しない遺伝子

我々は、この固体培養でしか生産されない酵素の仕組みを解析したところ、「固体培養でしか発現しない遺伝子」が存在することを発見しました。例えば麹菌には2種類のグルコアミラーゼの遺伝子がありがあり、液体培養では遺伝子Aが発現して少量の酵素を生産します。一方、固体培養では通常の液体培養で発現しない遺伝子Bが大量に発現し、その結果グルコアミラーゼが大量に生産されます。(図2

図2 A.oryzaetは2つの異なるグルコアミラーゼ遺伝子を持っている
図2 A.oryzaetは2つの異なるグルコアミラーゼ遺伝子を持っている

麹菌にとっての固体培養

さて麹菌は固体と液体をどのように認識しているのでしょうか?先ほどの2つの遺伝子の発現条件を、実験室でよく使用される固体培地の「寒天培地」で比較してみました。予想に反して、寒天培地のグルコアミラーゼ遺伝子の発現は、固体培養ではなく液体培養とほとんど同じ様式を示しました。(図3)寒天培地とは、液体培地に数%の寒天を含む培地であり、麹菌にとっては液体培地として認識されるのかもしれません。

図3 培養地によるグルコアミラーゼ遺伝子の発現率
図3 培養地によるグルコアミラーゼ遺伝子の発現率

麹造りを遺伝子で解明

そこで、固体培養で発現するグルコアミラーゼ遺伝子を強く発現させる条件を検討したところ、高温培養・低水分活性・菌糸成長阻害の3つの条件が必要であることがわかりました。興味深いことに、これらの条件は全て長年の経験により確立された清酒醸造での「麹造り」の条件に適合するものでした。(図4)このことは長い清酒醸造の歴史の中で、多くの試行錯誤を繰り返しながら、現在のような非常に高いグルコアミラーゼ生産性を示す「麹造り」という培養方法が確立されたことを証明するもので、先人のすばらしさに改めて感服します。

図4 固体培養でグルコアミラーゼ遺伝子を強く発現させるための3条件
図4 固体培養でグルコアミラーゼ遺伝子を強く発現させるための3条件

今ではグルコアミラーゼ以外にも、固体培養でしか発現しない遺伝子が多数見つかっています。そしてこれらの遺伝子には、糸状菌の生育に大変重要な遺伝子が存在していることが分かってきました。それは、糸状菌(カビ)にとって液体培養はむしろ特別な、人為的な培養であり、本来の自然な培養法は固体培養であると考えられるからです。

このように遺伝子を解析することにより、麹造りの固体培養の酵素生産のメカニズムを科学的に解明することができました。今後はこれらの研究をさらに発展させて、スーパー麹造りの開発にチャレンジしたいと考えています。

【学会発表】

  • 清酒麹菌の固体培養における遺伝子発現について、国際酒文化学術検討会、2004
    ○秦 洋二
  • 麹菌の固体培養での遺伝子発現(固体表面での微生物活動の解明に向けて)、生物工学会(シンポジウム)、2003
    ○秦 洋二
  • 麹菌の固体培養での遺伝子発現特性、農芸化学会(シンポジウム)、2002
    ○秦 洋二
  • 麹菌(A. oryzae)の固体培養で発現するグルコアミラーゼ遺伝子(glaB)のcis因子の解析、農芸化学会、1998
    ○石田博樹、秦 洋二、市川英治、川戸章嗣、杉並孝二、今安 聰
  • 麹菌(A. oryzae)の固体培養で発現するグルコアミラーゼ遺伝子(glaB)の発現条件の検討、生物工学会、1997
    ○石田博樹、秦 洋二、市川英治、川戸章嗣、杉並孝二、今安 聰
  • 麹菌(A.oryzae)の固体培養で発現する新規グルコアミラーゼ遺伝子のクローニング 1、生物工学会、1996
    ○石田博樹、小島泰弘、秦 洋二、市川英治、川戸章嗣、杉並孝二、今安 聰
  • 麹菌(A.oryzae)の固体培養で発現する新規グルコアミラーゼ遺伝子のクローニング 2、生物工学会、1996
    ○石田博樹、秦 洋二、市川英治、川戸章嗣、杉並孝二、今安 聰

【論文】

  1. Identification of functional elements that regulate the glucoamylase-encoding gene (glaB) expressed in solid-state culture of Aspergillus oryzae Curr. Genet. 37 2000
    石田博樹、秦 洋二、川戸章嗣、安部康久、杉並孝二、今安聰
  2. Regulation of the glucoamylase-encoding gene (glaB), expressed in solid-state culture (koji) of Aspergillus oryzae J. Ferment. Bioeng. 86 1998
    石田博樹、秦 洋二、市川英治、川戸章嗣、杉並孝二、今安聰
  3. Nucleotide sequence of an alternative glucoamylase-encoding gene (glaB) expressed in solid-state culture of Aspergillus oryzae Gene 207 1998
    秦 洋二、石田博樹、市川英治、川戸章嗣、杉並孝二、今安聰
  4. Comparison of two glucoamylases produced by Aspergillus oryzae in solid-state culture (koji) and in submerged culture J. Ferment. Bioeng. 84 1997
    秦 洋二、石田博樹、小島泰弘、市川英治、川戸章嗣、杉並孝二、今安聰

(掲載日:2004年12月1日)

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