食品製造に使用される細菌のゲノム解析のための高効率パイプライン

インドの伝統発酵食品ベカン由来の枯草菌が、日本の納豆菌とは系統的に異なる一方で、食品発酵に関わるアクセサリー遺伝子群を共有することを明らかにし、食品製造に使用される細菌の比較ゲノム解析を効率化するパイプラインを示しました。

本研究では、食品発酵に利用されるBacillus subtilisの多様性を調べるため、当初55ゲノムを収集し、品質管理と統一的なアノテーションを経た42菌株を主解析に用いて、パンゲノム解析と比較ゲノム解析を行いました。

研究の背景と主な結果

本研究の概要および研究の経緯については、以下のリンクをご参照ください。

• プレスリリース：日本の「納豆菌」とインドの伝統食「ベカン」の菌は、他人なのに“そっくり”だった！？ 〜ゲノム解析が解き明かす、アジアの発酵食文化と細菌の不思議な進化〜
• 研究の経緯：世界をつなぐ「納豆」の絆：ミャンマーの一皿から始まったゲノムの探求 （Springer Nature Research Communities掲載記事の日本語版）

主解析では、日本の納豆由来26株を狭義のnatto群としました。インドの伝統食品bekang由来の1株（Food_IND_1）は、コアゲノム系統樹ではnattoクレードの外側に位置する一方、アクセサリー遺伝子の有無に基づくJaccard距離では最も近い機能的近傍となりました。この1株を加えた27株を広義のnatto群として比較しました。水平遺伝子伝播（horizontal gene transfer; HGT）や選択的保持は考えられる説明ですが、本研究で直接実証された機構ではありません。また、機能は主に遺伝子アノテーションと濃縮解析から推定されており、bekang由来株1株（n=1）の表現型を直接測定した結果ではありません。

比較ゲノム解析ワークフロー

本研究で用いた比較ゲノム解析ワークフローは、公開データの取得、ゲノム構築、品質管理、アノテーションから、パンゲノム解析と系統・遺伝子構成の比較までを一貫して行います。

• データ整備：公開raw readsとゲノム情報を収集し、統一したゲノム構築、品質管理、アノテーションを行いました。
• 系統と遺伝子構成の比較：コアゲノム系統樹と、アクセサリー遺伝子のpresence/absenceに基づくJaccard距離クラスタリングを組み合わせました。
• 候補差異の探索：synteny、phylogenetic network、群特異的遺伝子を調べ、indel、transposon、遺伝子重複・短縮などの候補差異を比較できるようにしました。

証拠の範囲と応用可能性

本研究が示したのは、菌株の関係と候補遺伝子を絞り込むための比較ゲノム上の証拠です。食品製造での性能、風味、安全性、品質管理への利用には、表現型測定、発酵試験、再現性評価、製造環境での検証が必要です。

• 利用可能性：菌株比較や、表現型に関係し得る候補遺伝子・遺伝子群の仮説生成に利用できます。
• 必要な検証：候補遺伝子から菌株性能、製品品質、汚染の有無を直接診断するものではなく、実験と製造現場での検証を組み合わせる必要があります。

まとめ

本研究は、コアゲノムの系統関係とアクセサリー遺伝子構成を組み合わせることで、系統的に離れたB. subtilis菌株間の類似性を検出できる高効率な比較ゲノム解析ワークフローを示しました。bekang由来株についてはn=1の事例研究であり、得られた機能仮説には追加検証が必要です。