2019 Fiscal Year Annual Research Report
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19H03310
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
加藤 真悟 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, 開発研究員 (40554548)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 庸平 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00359168)
伊藤 隆 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, 専任研究員 (80321727)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 鉄酸化菌 / 鉄還元菌 / バイオミネラル / メタゲノム / 分離培養 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、「多種多様な未培養微生物が酸化鉄ナノ鉱物の生成・溶解を駆動し、地球表層環境における様々な元素の挙動・循環を支配している」という作業仮説を立てた。この仮説の検証を通じて、それらの未培養微生物を分離培養により同定し、地球表層環境における「酸化鉄ナノ鉱物の生成・溶解プロセスの実態」と「微生物－酸化鉄ナノ鉱物－多元素の相互作用」を解明することを目的とする。地球表層環境に普遍的に存在するナノサイズの酸化鉄鉱物は、重金属やヒ素など様々な元素を吸着する作用があり、環境中の元素循環を理解するための鍵となる物質である。この酸化鉄ナノ鉱物は、主に微生物の働きによって生成・溶解すると考えられている。しかしながら、その生成・溶解プロセスに関しては、少数の既知モデル微生物の研究に基づいた限定的な知見しか得られていない。本研究によって得られる成果は、自然界の元素循環に対する新たな視点を提示するものであり、さらには資源枯渇や環境汚染問題解決へ向けた応用バイオ技術の飛躍的な発展に貢献する可能性を秘めている。
初年度となる今年度は、技術の確立を念頭に置き、一つのモデル地を対象として、新規鉄酸化菌・鉄還元菌の分離培養、および環境ショットガンメタゲノム解析を行った。シングルセルソーターを用いた網羅的な分離培養によって、これまで鉄を還元するとは予想もされていなかった系統群に新規の鉄還元菌を見出し、その分離株の獲得に成功した。また、いくつかの鉄酸化菌の分離株を得た。新種レベル以上で新規の株も複数含まれていた。メタゲノム解析によって、それらの鉄酸化菌・鉄還元菌は、現場環境中の雑多な微生物で構成されたコミュニティーの中で数％以下であることが示唆された。
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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
今年度は、本研究の基盤となるハイスループット分離培養技術の確立を第一目標として、一つのモデル地を対象にして集中的に研究を行なった。シングルセルソーターを用いた網羅的な分離培養を行い、固体酸化鉄を還元する分離株をいくつか得ることに成功した。それらの分離株には、鉄還元菌としてよく知られているGeobacter属に属する新種レベルで新規の株が含まれていた。さらに驚くべきことに、これまで鉄を還元するとは予想もされていなかった系統群に属する分離株の獲得にも成功した。鉄酸化菌の分離に関しては、技術的な問題からシングルセルソーターを用いての分離には至っていない。しかしながら、並行して行った96穴プレートを用いたグラジェント培養法によって、Sideroxydans属に属する新種レベルで新規の微好気性鉄酸化菌の分離培養に成功した。Thiomonas属に属する新種レベルの分離株も同グラジェント培養法で獲得できた。ただし、その株の詳細な性状解析を行ったが、鉄を酸化することを示すデータはまだ得られていない。分離できたすべての株の16S rRNA遺伝子配列を決定し、その中でも代表的な株については、生育条件や鉄酸化・鉄還元速度の決定、さらには全ゲノム配列決定を部分的に完了した。分離源とした環境試料から、DNAを抽出し、ショットガンメタゲノム解析を行った。系統マーカー遺伝子のリードカバレッジに基づいて、分離した鉄酸化・鉄還元菌が微生物コミュニティーの中でどの程度の割合で存在するのかを推定したところ、各微生物は数％以下の存在量であることが示唆された。鉄酸化・還元に関する論文を、共著を含め５報発表した。以上より、計画通り順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた環境メタゲノムデータ、分離株の生理性状およびゲノムデータをまとめ、このモデル地における新しい微生物群が駆動する鉄サイクルについて、論文化を目指す。分離株の全ゲノム情報から、鉄サイクルに関与すると推定される遺伝子を同定する。環境メタゲノムデータについては、本研究で分離できた株および既知の鉄酸化菌・鉄還元菌由来と推定される系統マーカー遺伝子および既知の鉄酸化・鉄還元マーカータンパク（Cyc2, Mto, Mtr, Omcなど）をコードする遺伝子の解析を行うことで、それぞれの微生物の鉄酸化・還元における役割を議論する。分子系統解析を行うことで、それらの遺伝子についての進化的考察を深める。分離株の詳細な性状解析を行い、菌株保存機関に寄託し、リソース化する。新種レベル以上での新規の株については、記載論文の執筆準備を進める。各種鉱物分析により、分離株による鉄酸化・鉄還元の結果生じる酸化鉄鉱物の同定を行う。新たなモデル地においてサンプリングを行い、より多くの新規鉄酸化・鉄還元菌の分離を行う。シングルセルソーターを用いた分離法の改良を行うことで、分離のスループットを向上させる。
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