デンプンは植物のエネルギー貯蔵物質であり、人間や動物の食事における重要な炭水化物源でもあります。また、デンプンは食品、建設、製紙、繊維の各産業でも利用されています。デンプンの成分のうち消化されにくいアミロースは、食品産業で結合剤やゲル化剤として使われています。
植物、人間、産業のいずれにとってもデンプンが非常に重要であるにもかかわらず、研究者たちはデンプンがどのように形成されるのかを完全には理解していません。ETHチューリッヒの植物生化学教授、サム・ツィーマン氏の研究グループは今回、デンプンの構造に新たな光を当てる重要な手がかりを見つけました。同グループはその研究成果を科学誌『PLOS Biology』に発表したばかりです。
新たな遺伝子を発見
日中に太陽の光を受けると、植物は光合成を行い、空気中の二酸化炭素から糖を作って代謝のエネルギー源にします。余った糖はデンプン粒に変えられ、植物はそれを葉に蓄えます。そして夜、エネルギーを必要とする一方で光合成が止まっているときに、蓄えたデンプンを利用します。しかし、デンプンは決して均一ではなく、主に、枝分かれが多く消化されやすい多糖であるアミロペクチンと、より少量の、基本的に直鎖状の多糖であるアミロースから成ります。
これまで、デンプン粒に結合し、アミロースの形成に関与する酵素は1種類しか知られていませんでした。顆粒結合型デンプン合成酵素（GBSS）と呼ばれるこの小さな分子機械がなければ、植物はアミロースを作ることができません。
モデル植物のシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）を対象に、デンプン形成に働く可能性のある他の遺伝子を体系的に探した結果、ツィーマン氏の研究者たちはアミロースの生成にも関与する遺伝子を発見しました。この遺伝子は、GBSSおよびデンプンに一時的に結合し、GBSSを目的地へ導くタンパク質をコードしています。この遺伝子を発見したツィーマン氏の博士課程学生、デイビッド・ソン氏は、この分子をProtein Targeting to Starch（PTST）と名付けました。
分子は互いに依存している
研究者たちはPTSTの役割を明らかにするため、変異植物を用いて実験を行いました。これらの変異はPTSTの形成を抑制し、変異植物ではアミロースが完全になくなりますが、デンプンの総量は野生型植物と同程度です。この結果から植物研究者たちは、シロイヌナズナがアミロース形成にPTSTを必須としていると結論づけました。研究者たちを驚かせたことに、植物のデンプン粒に結合する酵素の中で最も一般的なGBSSは、変異植物ではほとんど検出できませんでした。
しかし、これをどう説明できるのでしょうか。2つのタンパク質を蛍光物質で標識したことで、研究者たちはついに謎を解きました。GBSSがPTSTを必要とするのは、PTSTがGBSSをデンプン粒まで運ぶタクシーだからです。GBSSを受け取ったPTSTは、形成中のデンプン粒の表面に一時的に「駐車」し、積み荷を降ろします。その後、PTSTはデンプン粒から再び離れ、GBSSはアミロースの合成を続けます。さらに、この輸送タンパク質はGBSSの安定性にも必要であるようです。PTSTがなく、デンプン粒に結合していなければ、GBSSは不安定になります。
必要に応じてデンプン含有量を調整？
PTSTタンパク質はシロイヌナズナだけでなく、進化の過程を通じて保存されています。植物の進化の比較的早い段階で生じ、種が分岐していく中でも保たれ、それ以降ほとんど変化していません。そのため、さまざまな種類の穀物を含む多くの植物に見られます。しかし、そこで果たす役割については、まだ明らかにする必要があるとツィーマン氏は述べています。「それでも今回の発見は、作物のアミロース含有量を調節できる可能性のある方法を示しています」とツィーマン氏は説明します。
今回の新たな知見は、将来、産業用途向けの純粋なアミロースの製造に利用される可能性があります。アミロースはソースやプリンのゲル化剤として、また生分解性包装の製造にも使用できます。この発見については、ETH Transferを通じて特許出願が行われ、保護されています。
ソン氏は博士論文の研究中にPTSTの機能を発見しました。それ以前に、オーストラリア出身の同氏はETH優秀奨学金を受け、修士課程に進むためチューリッヒに来ることができました。現在はハインツ・イムホフ・フェローシップの支援を受け、ETHチューリッヒと南アフリカのステレンボッシュ大学による共同研究の一環として博士課程を続けています。
この記事はETHチューリッヒとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：ピーター・リュエッグはETHチューリッヒのために執筆しています。
画像：イリノイ州アディソンにある同社の製造工場で、Transparent Containerのレジーナ・ピエゴとロシーナ・パディーヤ（左）が、成形したばかりの包装材を準備している。ロイター／ジョン・グレス
