Unseen deep biosphere: organic molecules in anoxic primitive prokaryotic cell.

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02019
• Research Institution: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: 高野 淑識 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋機能利用部門(生物地球化学センター), センター長代理 (80399815)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 深部地下帯水層 / 深部流体 / 始原的なメタン生成アーキア / 補酵素F430 / カーボンサイクル

Outline of Annual Research Achievements

当該年度は、南関東一帯に広く分布する深部地下帯水層から採取された試料を分析し、深部流体に棲息する始原的なメタン生成アーキアが、現在進行形でメタンを生成し続けていることを明らかにした。また、深部流体には多様性に富んだ微生物群集が存在していることも判明しました。近年の研究によって、海底下での地下生命圏の限界や微生物が関与するメタンサイクルに関する知見が、急速に明らかになってきました。しかし、メタンやヨウ素を産出する関東地下深部におけるアーキアの存在量やその活性など、基本的な生物地球化学的な記載情報はほとんど不明なままでした。そこで、本研究グループでは、メタン生成アーキアに特有な補酵素F430の分子レベル分析など、精密な解析を行った結果、アーキアは現在も地下深部でメタン生成をし続けていること、また地表からの炭素供給はほぼ無く、独立した環境で地下生命圏を形成していることを明らかした。
補酵素F430を用いたメタン生成アーキアを解析する手法により、環境中のメタン生成ポテンシャルを高感度に評価することができ、遺伝子解析による評価と相互補完的な検証が可能になった。今後は、補酵素F430に関する分子指標性と遺伝子指標性の有用性を、幅広い環境試料に適用することで、応用研究に活かして行くことができる。本研究計画は、多様性に富んだアーキア群集に関するさらなる生態の解明や深部地下帯水層におけるカーボンサイクルの詳細な理解につながるものと期待される。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

前述の研究実績の概要に示した研究成果は、米国化学会誌で公表し、高い評価を受けた。また、論文公表日と同日にプレスリリースを行ったところ、国内外のメディアで大きく報道された。

Strategy for Future Research Activity

多様性に富んだアーキア群集に関するさらなる生態の解明を行うため、室内での培養実験を継続して行っている。また、深部地下帯水層におけるカーボンサイクルの詳細な理解を行うため、核酸塩基分子レベルの詳細分析として、オンラインクロマトグラフィー／高分解能質量分析法による新しい方法論（＝未発表内容）の開発と応用的取り組みを進めている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス工科大学(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: スイス工科大学
• [Int'l Joint Research] NASA(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: NASA
• [Journal Article] Origin of deep methane associated with a unique community of microorganisms in an organic- and Iodine-rich aquifer (2021)
  • Author(s): Urai, A., Takano, Y., Imachi, H., Ishii, S.i., Matsui, Y., Ogawara, M. et al.
  • Journal Title: ACS Earth and Space Chemistry Volume: 5 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1021/acsearthspacechem.0c00204
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Beryllium isotopes in sediments from Lake Maruwan Oike and Lake Skallen, East Antarctica, reveal substantial glacial discharge during the late Holocene (2021)
  • Author(s): Sproson, D.A., Takano, Y., Miyairi, Y., Aze, T., Matsuzaki, H.et al.
  • Journal Title: Quaternary Science Reviews Volume: 256 Pages: 106841
  • DOI: 10.1016/j.quascirev.2021.106841
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analytical development of seamless procedures on cation-exchange chromatography and ion-pair chromatography with high-precision mass spectrometry for short-chain peptides. (2021)
  • Author(s): Takano, Y., Oba, Y., Furota, S., Naraoka, H., Ogawa, N.O., Blattmann, T.M. et al.
  • Journal Title: International Journal of Mass Spectrometry Volume: 462 Pages: 116529
  • DOI: 10.1016/j.ijms.2021.116529
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A method for stable carbon isotope measurement of underivatized individual amino acids by multi-dimensional high-performance liquid chromatography and elemental analyzer/isotope ratio mass spectrometry. (2020)
  • Author(s): Sun, Y., Ishikawa, N.F., Ogawa, N.O., Kawahata, H., Takano, Y. and Ohkouchi, N.
  • Journal Title: Rapid Communications in Mass Spectrometry Volume: 34 Pages: e8885
  • DOI: 10.1002/rcm.8885
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantification and carbon and nitrogen isotopic measurements of heme B in environmental samples (2020)
  • Author(s): Isaji, Y., Ogawa, N. O., Takano, Y. and Ohkouchi, N.
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Pages: 11213-11222
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01711
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A new insight into isotopic fractionation associated with decarboxylation in organisms: implications for amino acid isotope approaches in biogeoscience (2020)
  • Author(s): Takizawa, Y., Takano, Y., Choi, B., Dharampal, P., Steffan, S. et al.
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 7 Pages: 50
  • DOI: 10.1186/s40645-020-00364-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] <入門講座> 『海底下の試料（地球深部の堆積物および岩石）』 [依頼総説]. (2020)
  • Author(s): 高野 淑識, 加藤 真悟
  • Journal Title: 日本分析化学会誌 ぶんせき Volume: 9 Pages: 314-319
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface (2020)
  • Author(s): Imachi, H., Nobu, M.K., Nakahara, N., Morono, Y., Ogawara, M., Takaki, Y., Takano, Y. et al.
  • Journal Title: Nature Volume: 577 Pages: 519-525
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1916-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extraterrestrial hexamethylenetetramine in meteorites―a precursor of prebiotic chemistry in the inner solar system. (2020)
  • Author(s): Oba, Y., Takano, Y., Naraoka, H., Furukawa, Y., Glavin, D.P., Dworkin, J.P. and Tachibana, S.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 6243
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20038-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 断層湖堆積層における表層および深層のメタン：分子レベルの安定炭素・放射性炭素同位体比で捉える深層炭素と表層生態系へのインパクト (2020)
  • Author(s): 浦井暖史，高野淑識，松井洋平，岩田拓記，宮入陽介，横山祐典，ほか
  • Organizer: 日本地球化学会第67回オンライン年会
• [Presentation] 【招待講演】プロービングケミストリー：海底下にいる「地球最古の代謝を現存する生命」を化学で観る。 (2020)
  • Author(s): 高野 淑識
  • Organizer: 日本化学会 CSJ フェスタ 2020
  • Invited
• [Book] 「生命起源の事典」（生命の起源と進化学会 監修） (2021)
  • Author(s): 高野 淑識・分担執筆
  • Total Pages: -
  • Publisher: 朝倉書店.
• [Remarks] JAMSTECプレスリリース
  • URL: https://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20210113/
• [Remarks] JAMSTECプレスリリース
  • URL: https://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20201208/
• [Remarks] JAMSTEC_BGC
  • URL: https://www.jamstec.go.jp/biogeochem/
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0194918