2021 Fiscal Year Annual Research Report
原核生物の「隠された生命の樹」: "培養"で見出す排水処理プロセスにおける生態
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20J01007
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
中原 望 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 生物資源情報基盤研究グループ, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | C1代謝 / 陸域地下生命圏 / 共生 / 遺伝子の水平伝搬 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、新型コロナの影響で昨年度に計画を変更して遂行した嫌気性環境、特に、陸域地下圏由来の極小微生物培養物・ゲノム配列を用い、メタン生成アーキアと共生培養を行うことで、1) LC/MSを使用した芳香族メトキシ化合物の脱メチル化位置の同定、 2) 芳香族メトキシ化合物の脱メチル化遺伝子の系統学的解析を通して、原核生物におけるメトキシ化合物を使用したエネルギー源 (C1代謝) としての利用性を明らかにすることを目的に研究を遂行した。
なお、共生培養系を構築するにあたり、陸域地下圏由来のサンプルに含有されていたメタン生成アーキアの代わりに、研究室で使用する際に扱いが容易な数種類のメタン生成アーキアの分離株を使用して共生系の構築を行った。その結果、地熱海底堆積物から分離された好熱性アーキアとのみ共生培養に至った。
さらに、この培養系用いて、系内のメトキシ芳香族化合物由来の代謝産物のLC/MSによる同定を行った。その結果、対象とするActinobacteriota門の新目を代表する未培養バクテリアは、既知のメタン生成アーキアと同様の脱メチル化反応を行うことが明らかになった。
加えて、原核生物内の脱メチル化遺伝子の系統解析を実施したところ、Actinobacteriota門の新目を代表する未培養バクテリアの脱メチル化遺伝子は、既知のメタン生成アーキアと系統学的に同一のクラスターに分類された。以上から、芳香族メトキシ化合物の脱メチル化機構は、ドメインを超えたアーキア・バクテリア間で普遍的であり、陸域地下圏における脱メチル化遺伝子の水平伝搬を介したC1代謝の重要性が示された。
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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
本年度は、昨年度得られたActinobacteriota門の新目のバクテリアの培養系について、メトキシ芳香族化合物を単一炭素・エネルギー源とするメタン菌と共生系の構築を試みた。その結果、培養開始から90日以降にメタン生成が確認されたが、その際、培養系内の微生物の生育は濁度では確認できなかった。加えて、本共生系内でActinobacteriota門の新目のバクテリアが代謝産物として生成するメトキシ芳香族化合物について、LC/MSによる同定を試みた。まず初めに、分析条件の検討およびメトキシ芳香族化合物のメトキシ基が全てヒドロキシ基に変換された没食子酸までを一斉分析可能な分析方法を作成した。次に、実際の共生培養系内の代謝産物を測定したところ、これまでに発見されたメトキシ芳香族化合物からメタン生成を行うアーキアと同一の代謝産物が生成されていることが確認された。このことから、アーキア・バクテリア間での同一機能を持つ脱メチル化遺伝子は、ドメインを超え、普遍的に原核生物内で水平伝搬している可能性が考えられた。したがって、GTDBに公開されている全ての原核生物のゲノムから、脱メチル化遺伝子のCOGを使用して分子系統樹を作成した。その結果、機能同定されたメタン生成アーキアの有する脱メチル化遺伝子と系統的に同じクラスターに分類された。このことから、同一機能を持つ脱メチル化遺伝子は、陸域地下圏に生息する未培養性バクテリア・アーキアに普遍的かつランダムに水平伝搬しており、地下圏のエネルギー代謝の一つとして非常の重要な遺伝子であることが示された。
最後に、本研究で扱っているActinobacteriota門の新目のバクテリアは、共生培養に150日程度を必要とする非常に扱いの難しい嫌気性微生物であり、その扱いの難しさを考えると本年度の進捗状況は、おおむね順調に進んでいると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で扱っているActinobacteriota門の新目のバクテリアは、共生培養に150日程度を必要とする非常に生育の遅いバクテリアである。加えて、濁度による生育の把握は困難である。その一方で、代謝産物として生成するバイオガス（メタンおよび水素）は、経日的に測定が可能であり、生育の指標とすることができる。しかしながら、生育が遅くかつ菌体量が低いため、最終年度に予定していた全RNAの抽出-遺伝子発現解析を実施できるかは判断し難い状況である。したがって、分離に使用した集積培養系を再度培養し、その集積培養系に対して、遺伝子発現解析を行うことで、Actinobacteriota門の新目のバクテリアの遺伝子発現による詳細な代謝経路の理解を目指すことを検討している。
次に、系統的な新規性等と併せて新目提案を目指し、昨年度より引き続き行っているActinobacteriota門の新目のバクテリアの生理学的特徴の決定をより進めていく。しかしながら、これまで行って培養における培養時間から容易に想像がつくように、一つの試験を終了させるために非常に時間がかかることが考えられる。したがって、可能な限り並行して試験を実施することで効率的に試験を実施し、着実に実験結果を得られるように努めながら研究を推進していく予定である。
最終的に本研究では、Actinobacteriota門の新目のバクテリアを微生物資源としてカルチャーコレクションに寄託する予定であり、広く研究を促進するためにバイオリソースとしての利用を可能にすることを目指し、生理学的特徴等の研究を進めていく。
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Research Products
(3 results)
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[Presentation] 原油を分解するメタン生成菌を発見2021
Author(s)
眞弓 大介,中原 望,風呂田 郷史,金子 雅紀, 延 優, 玉澤 聡, 須田 好,前田 治男,鎌形 洋一, 坂田 将, 玉木 秀幸
Organizer
日本微生物生態学会第34回大会
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[Presentation] 高負荷PET製造廃水処理UASBリアクター内保持汚泥のマイクロバイオーム解析2021
Author(s)
新島二葉,吉田実桜,山口陽香,蔵下はづき,中原望,延優,成廣隆,野口太郎,山田真義,山内正仁,黒田恭平
Organizer
日本微生物生態学会第34回大会
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