2016 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Hadean Bioscience |
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26106004
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
鎌形 洋一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門, 部門付 (70356814)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
玉木 秀幸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門, 主任研究員 (00421842)
西原 秀典 東京工業大学, 生命理工学院, 助教 (10450727)
鈴木 志野 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 高知コア研究所, 特任主任研究員 (10557002)
柿澤 茂行 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門, 主任研究員 (10588669)
黒川 顕 国立遺伝学研究所, 生命情報研究センター, 教授 (20343246)
大島 拓 奈良先端科学技術大学院大学, バイオサイエンス研究科, 助教 (50346318)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 冥王代 / 嫌気性微生物 / 難培養性微生物 / 初期エネルギー代謝 / メタゲノム / 人工生命体 / 蛇紋岩熱水系 / 化学進化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究班では、冥王代類似環境やその周辺熱水環境に棲息する微生物のゲノム解読、培養化、生理生態機能の解明を通じて、最終的に原始的な生命体のゲノムや生物機能の痕跡に迫ることを目的とする。現世における「冥王代アナログ」といえる白馬八方や米国Cedarsの蛇紋岩熱水系さらには深部地下圏に存在する微生物群集のメタゲノム解析を通して生物機能を明らかにしつつある。環境DNAを用いて高感度メタゲノムシークエンシングを実施した結果、量・質ともに良好なメタゲノム配列の獲得に成功し、このメタゲノム配列はOD1細菌ならびに未培養Nitrospirae門細菌由来のものが多数を占めていることを明らかにした。両者の未知細菌のゲノムの再構築ならびに代謝機能の解明を進める中、OD1ゲノム上にはC1代謝における基幹酵素carbonmonoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthase をコードしていると推定される遺伝子群を見いだした。これは嫌気環境において極めて重要なacetyl-CoA生合成ならびにエネルギー代謝に必須なWood-Ljungdahl経路を持つ可能性が示唆されたことになる。この代謝系は多くの進化系統研究者によって最も始原的なものの一つとして挙げられているものの、冥王代アナログ環境においてこうした基幹酵素の存在が予見されるような明確な証拠は全く得られていなかった。 そこでこれらの遺伝子群を大腸菌で発現させ、CODH活性の測定を試みた。その結果、中性付近で微弱な活性を捉え、さらにはpH10付近で顕著な活性として捉えることに成功した。これはOD1ゲノム上にコードされた遺伝子群が機能を有し、かつ環境に適応したアルカリ側で高い酵素活性を持つタンパク質であることを初めて示したことを意味する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現世における「冥王代アナログ」といえる白馬八方や米国Cedarsの蛇紋岩熱水系さらには深部地下圏に存在する微生物群集のメタゲノム解析を通して生物機能を明らかにしつつある。白馬八方蛇紋岩熱水系に関しては5~10日間の長期のサンプリングを2度実施し、原位置ろ過システムを用いて、熱水中の微生物細胞を濃縮・捕集し、全核酸抽出に供試したところ、数10 ngのDNAを得た。次にこのDNAを用いて高感度メタゲノムシークエンシングを実施した結果、量・質ともに良好なメタゲノム配列の獲得に成功した。こうして得られたメタゲノム配列はOD1細菌ならびに未培養Nitrospirae門細菌由来のものが多数を占めていることをあらためて確認した。OD1細菌のゲノム上にコードされていると推定されたC1代謝における基幹酵素carbonmonoxide dehydrogenase/acetyl-CoA synthaseの活性が確認できたこと、さらにpH10付近で顕著な活性として捉えることに成功したことは、これらの遺伝子群が機能を有し、かつ環境に適応したアルカリ側で高い酵素活性を持つタンパク質であることを初めて示したことになり、この3年で飛躍的に研究が進んだと言える。現在この基幹酵素に関する約8,000種の真正細菌および古細菌の全ゲノムデータから遺伝子オーソログを収集し、大規模な系統解析を展開しているところである。また現生の細菌群に共通して必須である代謝モジュールを特定することによって最小ゲノムはどういうものであったかを推定しつつある。これら最小代謝モジュールは、始原生物が保持していた初期の代謝モジュールであることを強く示唆するものである。 こうした情報をもとに最小ゲノムを導入した半人工生命体構築の研究が進みつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
「冥王代アナログ」といえる蛇紋岩熱水系さらには深部地下圏に存在する微生物群集の実体をより明らかにするためにこうした微生物群の完全純粋分離を目指す。現在、大量のサンプルを濃縮する手法の確立、担体を用いた培養法を開発中でありこうした手法を活かしながら研究展開を図る予定である。またOD1由来のCODH/ACSの遺伝子セットが実際に期待された機能をもち、かつ極めて蛇紋岩熱水系の条件に合った活性を保っていること、そして分子系統的に極めてユニークなタンパク質であることからその独自なタンパク質構造、金属補欠団に非常に大きな興味が持たれる。結晶構造ならびに金属触媒部位の構造解析を通して、このタンパク質がより始原的な属性を有しているかどうかを精緻に解析する予定である。さらに、各種輸送タンパク質を組み込んだ人工膜の構築に成功しつつあることから、今後この人工膜内に現生の細菌群に共通して必須である代謝モジュールを導入した半人工生命体を創製し、自律増殖性を確認することによって始原的な生命体のイメージを具体的なモデルとして提唱してゆく。
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Research Products
(15 results)
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[Journal Article] A key genetic factor for fucosyllactose utilization affects infant gut microbiota development2016
Author(s)
Matsuki T, Yahagi K, Mori H, Matsumoto H, Hara T, Tajima S, Ogawa E, Kodama H, Yamamoto K, Yamada T, Matsumoto S, Kurokawa K
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 7
Pages: 11939
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] High-affinity monoclonal IgA regulates gut microbiota and prevents colitis in mice2016
Author(s)
Okai S, Usui F, Yokota S, Hori-I Y, Hasegawa M, Nakamura T, Okada S, Yamamoto K, Nishiyama E, Mori H, Yamada T, Kurokawa K, Matsumoto S, Nanno M, Naito T, Kato T, Miyauchi E, Ohno H, Shinkura R
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Journal Title
Nature Microbiology
Volume: 1
Pages: 16103
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Exploring the metabolic potential of microbial communities in ultra‐basic, reducing springs at The Cedars, CA, USA: Experimental evidence of microbial methanogenesis and heterotrophic acetogenesis2016
Author(s)
Kohl L, Cumming, E, Cox A., Rietze A. Morrissey L. Lang QS, Richter A, Suzuki S, Nealson HK, Morrill LP
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Journal Title
Journal of Geophysical Research: Biogeosciences
Volume: 121
Pages: 1203-1220
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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