キトサナーゼ

キトサン

キトサンは、キチンの脱アセチル化により得られる生成物である。自然界に存在する唯一のアルカリ性多糖として知られる。生分解性を有し、動物に対して低毒性であり、酸性溶液に可溶で、さまざまな物理形態で供給可能で取り扱いが容易である等の特長を有する。キトサナーゼは1973年に初めて報告された。直鎖状キトサンに対して分解作用を示す特異的酵素であり、β-(1→4)-グリコシド結合を選択的かつ特異的に切断することで、特定の分子量範囲を有するキトオリゴ糖を得ることができる。

図1．キトサンの構造。

キトサナーゼの存在および分布

キトサナーゼは微生物および植物により産生され、栄養獲得および防御において重要な役割を担う。キトサナーゼは1973年に、複数の土壌微生物から初めて記載された。過去40年間にわたり、細菌、真菌、シアノバクテリア等の各種微生物ならびに植物に由来するキトサナーゼについて、その存在、産生、精製および特性解析に関する複数の研究報告が公表されている。

図2．キトサナーゼのタンパク質構造。

植物由来キトサナーゼ

キトサナーゼは主として微生物（細菌および真菌）に見出される一方、植物での報告例はごく限られている。キトサナーゼ活性は、嚢胞–樹枝状菌根菌により定着したリーキおよびタマネギ根、ならびに化学的ストレスまたは病原体ストレスを受けた各種植物の葉で検出されている。さらに、健常植物のさまざまな部位においてもキトサナーゼ活性が検出されている。キトサンおよびCOS（キトオリゴ糖）は、キトサナーゼおよび1,3-グルカナーゼのアイソフォーム誘導を含む植物の防御反応を誘導し得る。しかしながら、植物由来キトサナーゼの内因性機能は、現時点では解明されていない。

キトサナーゼの発酵生産

キトサナーゼは、植物における耐病性タンパク質の一種と考えられている。このため、遺伝子工学的手法によりキトサナーゼをコードする遺伝子を作物へ導入（クローニング）し、作物品質の向上を図る試みがなされてきた。キトサナーゼの基質特異性は、特定の真菌および藻類における細胞壁組成や特異的な生理過程の研究にも利用できる。キトサナーゼはキトサンを分解する特異的酵素であり、細菌、真菌、ウイルス、植物等の生物に広く分布する。一方で、多くの微生物はキトサナーゼ活性が低く、製造コストが相対的に高いことが、酵素法によるキトサン分解（酵素生産）における継続的な制約要因となっている。微生物由来キトサナーゼの多くは誘導酵素であり、培地にコロイド状キトサンを添加してキトサナーゼ発現を誘導することが一般的な戦略である。これは多くのキトサナーゼ産生に対して誘導効果を示す。さらに、キトサン粉末、キチン、イカ軟甲粉末、エビ殻粉末もキトサナーゼ産生を誘導し得る。商業化ニーズに対応したキトサナーゼの大量生産のためには、発酵工程において通常、各種パラメータの最適化が必要となる。適切かつ低コストな培地は生産プロセス最適化の基盤である。したがって、発酵最適化の第一段階は培地の研究開発であり、各種栄養成分の選定およびそれぞれの濃度最適化を含む。

用途

キトサナーゼの用途は、その物性と密接に関連する。キトサナーゼの応用は多岐にわたり、主として以下の観点で研究されている。

a．真菌プロトプラストの調製

キトサナーゼはキトサンを特異的に分解する。一部の研究者は、キトサナーゼを用いて真菌プロトプラストを作製し、菌株の遺伝学的交雑実験に直接利用している。特に、細胞壁成分がキトサンである接合菌類（Zygomycetes）に対して有効性が高い。

b．植物病原性微生物の抑制

多くの真菌の細胞壁主要成分はキトサンである。研究により、キトサナーゼは植物病原性真菌の細胞壁分解に利用でき、病原性真菌の細胞壁組成の解析や、植物病害における一部真菌の発病機序の推定に資することが示されている。これにより、病原体の予防・防除をより効果的に行い、特に一部の経済作物において収量増加につながる可能性がある。

c．キトオリゴ糖の製造

キトサナーゼのもう一つの主要用途は、キトサンを分解して、経済的価値が高く、かつ特定の重合度を有するキトオリゴ糖を製造することである。キトオリゴ糖は、水溶性が高く吸収されやすい等の利点に加え、抗菌・抗真菌作用、免疫調節作用、抗がん作用等の機能が報告されている。機能性食品、ヘルスケア医薬品等の産業分野で幅広い応用が期待される。一方、キトサナーゼの安定性が大規模応用を制限するため、キトサナーゼの応用研究は主として2点、すなわち（1）キトサナーゼ自体の触媒活性の向上、（2）キトサナーゼの安定性の向上、に焦点を当てて進められている。触媒活性の向上には主に菌株改良および組換えキトサナーゼの構築が含まれる。安定性に関する研究では、固定化技術を用いてキトサナーゼを固定化する手法が主に用いられている。

参考文献