ロボット科学者を用いたSaccharomyces cerevisiaeの未解明遺伝子の解析

日常的な生物学にとっての重要性

生物の全ゲノム配列を持っていると言われますが、多くの遺伝子についてはその実際の働きがまだ分かっていません。本研究は、科学と産業の両面で重要な働きをするパン酵母（ベーカーズイースト）を対象に、全自動の「ロボット科学者」と計算モデルを組み合わせることでその謎に挑んでいます。研究者たちはこの手法が、酵母がエネルギー源を切り替える際の役割を持つ未調査の遺伝子を明らかにできることを示しています。この切り替えは増殖や代謝、ひいては細胞が変化する環境に対処する方法に影響を与えます。

非常に馴染み深い生物に潜む未解明遺伝子

パン酵母は長年にわたり研究されてきましたが、約6,000個の遺伝子のうちおよそ900個は依然としてよく分かっていません。そのうちの一つ、YGR067Cと呼ばれる遺伝子は、遺伝子調節因子に典型的な構造モチーフを持つタンパク質を産生するため、他の遺伝子を制御している可能性が示唆されます。先行研究では、この遺伝子の変化がメタノールのような非典型的な炭素源での増殖への適応に寄与したことが示されており、研究者らはYGR067Cがグルコースからアルコール（エタノール）を燃料とする状態への切り替え、つまり糖代謝から呼吸による代謝への大きな「ギアチェンジ」の制御に関与しているのではないかと考えました。

ロボットとモデルに実験を任せる

この仮説を検証するため、チームはEveと呼ばれる自動化実験プラットフォームを用いました。Eveは通常株とYGR067Cが欠失した株を、わずかなグルコースしか含まない培地の小さなウェルで培養し、古典的な二相成長パターン（まず糖を燃やす相、ついでエタノールを燃やす相）を強制的に経過させました。ロボットは増殖を綿密に追跡し、選択した時点でサンプルを採取しました。これらのサンプルは、どの遺伝子が活性化しているか（トランスクリプトミクス）、どの小分子が存在するか（メタボロミクス）、および培養の成長速度と細胞密度という三つのレベルで解析されました。並行して、研究者らは酵母代謝の二種類の計算モデルを用いて、その遺伝子の機能が破壊されたときに何が起こるかを予測しました。これは呼吸に直接関わる経路だけでなく、細胞全体の反応ネットワークにおける広い影響も含みます。

遺伝子を欠損させると何が起きるか

データはYGR067Cの欠失が増殖と細胞内化学の両方を変化させることを明らかにしました。欠失株は被験条件下で野生株よりやや速く増殖し、より高い細胞密度に達しました。これは、特定の高コストな細胞機械に投資されるエネルギーが減少していることを示唆します。糖を燃やす相では、クエン酸回路、酸化的リン酸化、グリオキシレート回路などミトコンドリア内部の主要なエネルギー経路に関与する多くの遺伝子が欠失株で低発現でした。同時に糖分解そのものはより活発になっている兆候があり、発酵由来の酸性副産物の増加と一致する形で、酸性度の維持に寄与する細胞の“プロトンポンプ”の二つの構成要素がより強く発現していました。

エタノールを燃やす相に残る影響

培養がエタノールを利用する相へ移行すると、二株間の遺伝子発現の差は概ね薄れましたが、代謝物の差は顕著になりました。欠失株では、NADの異なる形態を含む細胞の還元力を担う関連分子や、グルタミン酸やアスパラギンといった一部のアミノ酸がより高い濃度で蓄積しました。経路解析はアミノ酸合成、ビタミン代謝、脂質関連経路の広範な変化を示しました。これらの知見は、YGR067Cの転写調節活性がグルコース存在下で最も強い一方で、その欠失による代謝上の影響はエタノール利用相にも及び、細胞がエネルギー生産、構成要素の合成、増殖のバランスをどのように取るかを再編することを示唆します。

遺伝子と大局的な意味についての示唆

自動化された実験と多層的な測定、複数のモデリング手法を組み合わせることで、本研究は専門外の読者にも分かりやすい結論に到達しています：YGR067Cはグルコースが乏しくなるにつれて酵母が呼吸を通じてエタノールを燃やすための機構を立ち上げ、微調整するのを助けるということです。この遺伝子が欠けると、細胞は単純な糖の発酵により依存し、ミトコンドリアのエネルギー経路への投資が減り、主要なエネルギー担体分子やアミノ酸合成に連鎖的な変化が生じる一方、被験条件下ではやや速く増殖します。これと同じく重要なのは、本研究が漠然とした未解明遺伝子に関するアイデアを具体的で検証可能な予測に変えるための一般的なロードマップを提示している点です—このアプローチは、酵母や他の生物に残る多くの「未知」遺伝子を解読するためにスケールアップ可能です。

引用: Bjurström, E.Y., Gower, A.H., Lasin, P. et al. Investigating uncharacterised genes in Saccharomyces cerevisiae using robot scientists. Sci Rep 16, 10999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46236-z

キーワード: 酵母遺伝学, 二相成長（ダイアキシックシフト）, 代謝, ロボット実験室, 遺伝子調節