生物界の暗黒物質「未知アーキア」の解明―分離培養で開拓する多様な新生物機能―

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02419
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 井町 寛之 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 深海・地殻内生物圏研究分野, 主任研究員 (20361933)
• 研究分担者: 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) ; 高木 善弘 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 深海・地殻内生物圏研究分野, 主任技術研究員 (10399561) ; 諸野 祐樹 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 高知コア研究所, グループリーダー代理 (30421845)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: アーキア / 生物多様性 / バイオリアクター / 古細菌

研究実績の概要

集積培養に成功している嫌気的メタン酸化反応に関与する未知アーキアの細胞形態を調べるために高感度FISH法の1つであるin situ HCR法を用いて視覚的に微生物細胞の検出を行った。その結果、本アーキアは直径400 nm程度の極めて小さい球菌であることが判明した。続いて、本アーキアのゲノム解析を行なった。本アーキアは他のよく知られているような微生物と比較して、細胞の増殖率が悪く、ゲノム解析に必要な細胞および核酸の量を得ることが困難であった。そこで、培養条件等の検討を行い細胞増殖の効率を上げる等の工夫を行うことで、ゲノム解析が可能な核酸の量を準備することができた。現在、ドラフトゲノムを得ることができている。一方で、代謝発現解析をするための十分量のRNAを準備することができず、RNA-Seq法による詳細な代謝発現解析をすることができなかった。
海底下深部の堆積物や天然ガス鹹水に生息する未知アーキアを培養するために、下降流懸垂型スポンジ (down-flow hanging sponge: DHS) リアクターを設計・組み立てを行い、運転を開始した。リアクター運転期間中にはリアクターから排出される水・ガスの化学分析を定期的に行った。その化学分析から微生物反応が確認されたリアクターに対して、培養されたアーキアの種類を16S rRNA遺伝子に基づいた分子生態解析を行った。その結果、いくつかの未培養系等群に属するアーキアがリアクター内で培養されていることが明らかとなった。また、海底下2kmの石炭層サンプルからメタン生成微生物群集の培養に成功し、メタン生成アーキアを分離することに成功した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

培養できているアーキアのRNA-Seq法による代謝発現解析は平成28年度中の解析終了を目指していたが、本アーキアは一般的によく知られた他の微生物と比較して、細胞の増殖率が極めて低いために代謝発現解析をするために十分なRNAを得ることができず、計画通りに進むことができなかった。現在、RNA-Seq法に供するに十分なRNAを得るべく大量培養を進めている。一方で、DHSリアクターを用いて開始した培養は順調に進み、いくつかの未知アーキアが培養されていることを16S rRNA遺伝子解析により特定したこと、さらには海底下大深部2の石炭層からメタン生成アーキアを分離することに成功したことから、上記のように評価した。

今後の研究の推進方策

すでに培養に成功しているアーキアに関してはRNA-Seq法を用いた代謝発現解析や電子顕微鏡による詳細な細胞の形態観察を行う。DHSリアクターで新たに培養できている未知アーキアに関しては、分離操作を行うと共に、分離を効率的に進めるためにゲノム情報の獲得をメタゲノムあるいはシングルゲノム解析により行う。

研究成果

• [国際共同研究] University of Bremen(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Bremen
• [国際共同研究] National Taiwan University/National Cheng Kung University(Taiwan)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Taiwan University/National Cheng Kung University
• [国際共同研究] California Institute of Technology/Craig J. Vender Institute/University of South California(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: California Institute of Technology/Craig J. Vender Institute/University of South California
  • 他の機関数: 1
• [雑誌論文] Sedimentibacter acidaminivorans sp. nov., an anaerobic, amino acids-utilizing bacterium isolated from marine subsurface sediment (2016)
  • 著者名/発表者名: Imachi H, Sakai S, Kubota K, Miyazaki M, Saito Y and Takai K
  • 雑誌名: International Journal of Systematic and Evoltionary Microbiology 巻: 66 ページ: 1293-1300
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.000878
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hydrogen and carbon isotope systematics in hydrogenotrophic methanogenesis under H2-limited and -enriched conditions: Implications for the origin of methane and its isotopic diagnosis (2016)
  • 著者名/発表者名: Okumura T, Kawagucci S, Saito Y, Matsui Y, Takai K and Imachi H
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 3 ページ: 14
  • DOI: 10.1186/s40645-016-0088-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nitrogen and oxygen isotope effects of ammonia oxidation by thermophilic Thaumarchaeota from a geothermal water stream (2016)
  • 著者名/発表者名: Nishizawa M, Sakai S, Konno U, Nakahara N, Takaki Y, Saito Y, Imachi H, Tasumi E, Makabe A, Koba K and Takai K
  • 雑誌名: Applied and Environmental Microbiology 巻: 82 ページ: 4492-4504
  • DOI: 10.1128/AEM.00250-16
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Genomic composition and dynamics among Methanomicrobiales predict adaptation to contrasting environments (2016)
  • 著者名/発表者名: Browne P, Tamaki H, Kyrpides N, Woyke T, Goodwin L, Imachi H, Brauer, S Yavitt J B, Liu W-T, Zinder S and Cadillo-Quiroz H
  • 雑誌名: The ISME Journal 巻: 11 ページ: 87-99
  • DOI: 10.1038/ismej.2016.104
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Methanomicrobium antiquum sp. nov., a hydrogenotrophic methanogen isolated from deep sedimentary aquifers in a natural gas field (2016)
  • 著者名/発表者名: Mochimaru H, Tamaki H, Katayama T, Imachi H, Sakata S and Kamagata Y
  • 雑誌名: International Journal of Systematic and Evoltionary Microbiology 巻: 66 ページ: 4873-4877
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.001444
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring deep microbial life in coal-bearing sediment down to ~2.5 km below the ocean floor (2015)
  • 著者名/発表者名: Inagaki F, Hinrichs K-U, Kubo Y, Bowles MW, Heuer VB, Hong W.-L., Hoshino T, Ijiri A, Imachi H, Ito M, Kaneko M, Lever MA, Lin Y.-S., Methe BA, Morita S, Morono Y, Tanikawa W, Bihan M, Bowden SA, Elvert M, Clombitza C et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 349 ページ: 420-424
  • DOI: 10.1126/science.aaa6882
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Variance and potential niche separation of microbial communities in subseafloor sediments off Shimokita Peninsula, Japan (2015)
  • 著者名/発表者名: Nunoura T, Takaki Y, Shimamura S, Kakuta J, Kazama H, Hirai M, Masui N, Tomaru H, Morono Y, Imachi H, Inagaki F and Ken Takai
  • 雑誌名: Environmental Microbiology 巻: 18 ページ: 1889-1906
  • DOI: 10.1111/1462-2920.13096
  • 査読あり
• [学会発表] 海底堆積物に生息する微生物ダークマターChloroflexi門細菌の分離・培養 (2016)
  • 著者名/発表者名: 中原望・小西優・高木善弘・酒井早苗・玉木秀幸・山口隆司・高井研・井町寛之
  • 学会等名: 第31回日本微生物生態学会大会
  • 発表場所: 横須賀市文化会館 (横須賀、神奈川)
  • 年月日: 2016-10-23 – 2016-10-24
• [学会発表] Cultivation of uncultured Chloroflexi bacteria, a microbial dark matter in subseafloor biosphere (2016)
  • 著者名/発表者名: Nakahara N, Takai Y, Konishi M, Tamaki H, Yamaguchi T, Takai K and Imachi H
  • 学会等名: The 8th Asian Symposium on Microbial Ecology
  • 発表場所: National Taiwan University (Taipei, Taiwan)
  • 年月日: 2016-10-01
  • 国際学会
• [学会発表] Identifying methanogenic community members obtained from 2-km deep coalbed (2016)
  • 著者名/発表者名: Identifying methanogenic community members obtained from 2-km deep coalbed
  • 学会等名: International Symposium on Microbial Ecology (ISME) 2016
  • 発表場所: Palais des congres de Montreal (Montreal, Canada)
  • 年月日: 2016-08-23
  • 国際学会
• [学会発表] Cultivation of previously uncultured Chloroflexi, a bacterial dark matter in subseafloor biosphere (2016)
  • 著者名/発表者名: Nakahara N, Takai Y, Konishi M, Tamaki H, Yamaguchi T, Takai K and Imachi H
  • 学会等名: International Symposium on Microbial Ecology (ISME) 2016
  • 発表場所: Palais des congres de Montreal (Montreal, Canada)
  • 年月日: 2016-08-23
  • 国際学会
• [学会発表] Identifying 2 km-deep methanogenic community members using a long-term bioreactor cultivation (2016)
  • 著者名/発表者名: Imachi H, Tasumi E, Tu T-H, Ijiri A, Morono Y, Ishii S, Methe BA, Takai K and Inagaki F
  • 学会等名: Goldschimidt2016
  • 発表場所: Pacifico Yokohama (Yokohama, Japan)
  • 年月日: 2016-06-29
  • 国際学会
• [図書] Methanocellales. In Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakai S and Imachi H
  • 総ページ数: 1
  • 出版者: John Wiley & Sons, Inc.
• [図書] Methanocellaceae. In Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakai S and Imachi H
  • 総ページ数: 1
  • 出版者: John Wiley & Sons, Inc.
• [図書] Methanocella. In Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakai S and Imachi H
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: John Wiley & Sons, Inc.
• [図書] Methanoregulaceae. In Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria (2016)
  • 著者名/発表者名: Imachi H and Sakai S
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: John Wiley & Sons, Inc.
• [図書] Methanolinea. In Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria (2016)
  • 著者名/発表者名: Imachi H and Sakai S
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: John Wiley & Sons, Inc.