TCA回路の多様性とその起源の解明

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00988
• Research Institution: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: 布浦 拓郎 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋機能利用部門(生命理工学センター), センター長代理 (60359164)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 力石 嘉人 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (50455490) ; 千葉 洋子 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 上級研究員 (70638981)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: メタボローム / 中央代謝 / TCA回路

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、生命誕生の鍵を握るTCA回路と還元的acetyl-CoA経路（WL経路）の多様性と進化を理解するため、主に始原的系統に属すアーキア、バクテリアにおける様々な不完全型TCA回路の仕組みを解明すると共に、生命進化におけるTCA回路とWL経路の関係性の解明を目指すことにある。
TCA回路はエネルギー生産やアミノ酸・脂質等の生合成の基点となる根源的な代謝系であり、最も研究された代謝系の一つである。一方、ゲノム解析から非モデル微生物には不完全型等多様なTCA回路の存在が示唆され、実際、本研究グループがクエン酸合成酵素の可逆性を活かした可逆的TCA回路を始原的な水素酸化硫黄還元好熱細菌Thermosulfidibacterより見出した(Nunoura et al. 2018)ように、未だ重要な知見の発見が相次ぐ。本研究では、代表者らが独自に開発した微量メタボローム解析技術を駆使し、主に始原的な系統群における多様なTCA回路の生理的機能の解明を目指す。
2020年度までに、Orbitrap Fusion 質量分析計によるアミノ酸のアイソトポマー解析系を確立し、非常に増殖効率の低い環境微生物も含むあらゆる単離微生物のアミノ酸生合成経路及び、アミノ酸に分子内構造が保存されるTCA回路に関連する有機酸のアイソトポマー解析を、わずか試験管1本の培養から実施することが可能となった。また、不完全型の還元的TCA回路の存在が示唆されてきた水素資化性好熱性メタン菌MethanothermobacterにおけるWood-Ljungdahl経路による 炭素固定経路と不完全型な還元的TCA回路の存在を実証した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2019年度までに、新たにOrbitrap Fusion 質量分析計による、より高感度、高精度な安定同位体トレーサー解析手法を導入し、アミノ酸アイソトポマー解析の実験フローをほぼ確立した。更に、2020年度の実験計画において、アミノ酸に加え、TCA回路に関連する有機酸のアイソトポマー解析をOrbitrap Fusion質量分析計にて行う解析フローをほぼ確立した。これらの新たな実験系は、本研究計画開始当初に主に活用してきたガスクロマトグラフ質量分析計と解析ソフトウェアを組
み合わせた実験系より、より少ない培養細胞で実施することが可能であり、今後の本研究の展開に大きく資するものである。一方において、この技術開発に時間を要したこと、更に、コロナ禍に伴う所属機関の出勤制限が実施されたこともあり、2021年においても全体の進捗にはやや遅れが生じている。

Strategy for Future Research Activity

（超）好熱菌等を対象にした多様なTCA回路の機能解析、という本研究の主目的には、やや遅れが生じているが、2021年度までにハイスループットな解析を進めるに必要なOrbitrap Fusion質量分析計によるアミノ酸及びTCA回路に関連する有機酸のアイソトポマー解析フローを確立した。この手法を駆使することにより、進捗状況の遅れを取り戻すべく研究を進める。更に、スループットが高くなった解析システムを活用し、研究代表者・分担者だけでなく、所属機関内外の研究者と連携し、より効率よい研究実施体制を確立し、より効率的に推進する。