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Acetic acid bacteria

  Acetic acid bacteira (AAB) are a widely divergent group within the alpha-proteobacteria and are isolated from a variety of natural habitats such as fruits, flowers and fermented foods; they are rarely found in soil and insect guts. AAB incompletely oxidize a variety of sugars and alcohols, and accumulate large amounts of the corresponding oxidation products in their environments or culture media. These traits of AAB, known as oxidative fermentation, are utilized in many industrial production processes, such as the manufacture of vinegar and L-sorbose. In industrial production, AAB play a crucial role in the quantity, taste, nutrition and hygienic quality of the products, making the reliability of strains indispensable with respect to functional properties and robustness of growth.

  Acetobacter strains, which are the most popular AAB for the production of vinegar in many countries, have shown noticeable physiological instabilities, the characteristics of which were reported in at least two different contexts, specifically temporal acclimation and heritable mutation. As an example of temporal acclimation (or physiological adaptation), Acetobacter strains may gradually acquire resistance against higher concentrations of acetic acid when properly adapted, but they rapidly lose the acquired phenotype when maintained without acetate. This is why new tanks for fermentation are continuously inoculated with AAB from old tanks, but not with a preserved seed AAB strain in traditional vinegar production. Very little is known about the genetic properties of these instabilities, but phenotypic modifications by transposon insertion were reported in ethanol oxidation and acetic acid resistance,  and cellulose formation.

Characteristics of acetic acid bacteria  酢酸菌の特徴

・エタノールを好気的に発酵し、酢酸を合成する。

・多くの種類のアルコールや糖を資化できる。

・様々な種類の多糖を合成する。

・細胞内膜に位置する酵素により好気的的に発酵を行う。

・高濃度のエタノール、酢酸、糖に耐性を示す。

・遺伝学的形質がやや不安定である。

・酢酸耐性は遺伝学的形質ではなく、一時的な獲得形質である。

・多くの細胞内寄生性細菌を含むαプロテオバクテリアに属する。

・Utilization ability of many C-sources

・Production of various polysaccharides

・Aerobic fermentation on cell membrane

・High tolerance against EtOH and AcOH

・Phenotype (genetic) instability

・Many intracellular bacteria in phylogenetic neighborhood 

Acetobacter pasteurianus

Vinegar in the world is produced by this bacterium.

 酢酸菌科細菌はアジアやヨーロッパにおける醸造酢(米酢やバルサミコ酢など)の発酵槽からその主要な発酵菌として分離され、その名前(酢酸菌)の由来となっている。近年、果実や花、土壌からの新種の酢酸菌の分離同定が進んでいる。それら新規の酢酸菌は伝統的な種の分類方法に加え、16SリボソームRNA遺伝子のDNA配列解析に基づき分類がなされている。現在、酢酸菌科(Acetobacteraceae)細菌は28属417種に分類されている(2013年現在)。酢酸菌は食酢醸造槽から分離されたAcetobacter属やGluconacetobacter属などの細菌群と近縁な菌群であり、酢酸菌科の大部分の菌種を含む。

 

(これまでの研究成果)

 酢酸菌は広く食酢醸造に用いられる菌群で、細胞内共生性の根粒細菌やリケッチア菌と同様にa-proteobacteriaに属する。自然界では花の蜜や果物など、糖やアルコール濃度の高い領域に棲息し、酵母や乳酸菌とエコシステムを構築する。酢酸菌の持つ有用機能の理解とa-proteobacteriaの細胞内共生進化の機構解明、工業的により有用な微生物のゲノム育種を目的として、本邦伝統的酢酸発酵菌Acetobacter pasteurianusの全ゲノムDNA解析を実施した。また、セルロース合成を特徴とする酢酸菌Gluconacetobacter xylinusの全ゲノムDNA配列を明らかにし、そのセルロース合成に必須な遺伝子を明らかにした。さらに、20種を超える酢酸菌のパン・ゲノム解析を進めている。

 食酢醸造に使用される酢酸菌の形質が易変異性であることは酢酸菌の研究者や食酢醸造関係者の間では古くから噂されていた。その形質の易変異性に着目し、非常に穏やかな条件での実験室内進化実験に酢酸菌を供与し派生した7株、さらに39度が生育限界温度である菌株を42度でも増殖可能となる耐熱性適応育種株1株を分離し、それらの全ゲノムDNA配列を決定することにより変異を同定した。古くから知られていた形質の易変異性が、著しい数のトランスポゾンとその易移動性、プラスミドの易脱落性、高変異速度のマイクロサテライトに起因することを明らかにした。ただし、耐熱性適応育種株の耐熱性には、多くの抗活性酸素因子の機能が重要であることを見出した。一方、大多数の自然界に棲息する酢酸菌の生育限界温度は34度程度だが、酢酸菌群細菌にはわずかではあるがヒトに病原性を示す菌種が存在し、その生育限界温度は37度を越える。これら病原性酢酸菌のゲノム解析と遺伝子発現解析を実施したところ、やはり多くの抗活性酸素因子の機能が高温での増殖に関与する結果を得た。さらに、高濃度グルコース耐性を有する酢酸菌のゲノム解析と遺伝子発現解析から、耐熱性と高濃度グルコース耐性はともに活性酸素耐性に帰結することが明らかとなった。現在は、遺伝子組換えや細胞融合法、適応育種法により、様々な有用細菌にこの活性酸素耐性を付与しロバスト化する技術開発も進めている。

伝統的なバルサミコ酢(balsamico)の醸造所を訪ねたときの写真です。高糖濃度発酵の共同研究の打ち合わせの予定でしたが、伝統的なバルサミコ酢を日本で販売する戦略についての相談に時間を使いました。

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