| 研究課題/領域番号 |
21K15156
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| 研究機関 | 国立研究開発法人海洋研究開発機構 |
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研究代表者 |
鹿島 裕之 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究開発プログラム), 研究員 (70780914)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 電気合成 / 光合成 / 化学合成 / 極限環境微生物 / 海洋微生物 / 微生物電気化学 / 現場反応実験 / バイオフィルム |
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| 研究実績の概要 |
地球における全ての生命活動は、光合成と化学合成による1次生産で支えられていると考えられてきた。しかし近年、海底面近傍など酸化還元勾配が形成されている環境場において、生命が利用可能な電気エネルギー(環境電流)が確認され、このような電気エネルギーを利用してバイオマス合成を行う電気合成微生物活動が予見されている。電気合成の実証は、生命の新たなエネルギー獲得様式の発見として期待されるが、明確な電気合成微生物活動の報告はほとんど無く、環境中での実態も未解明である。そこで本課題では、電子供給を行う人工的な電気合成環境場として機能するカソード分極電極を海洋中に設置し、電極から供給される電子を電子・エネルギー源として生育する電気合成微生物の集積を狙う現場電気集積培養実験を行うことで、海洋環境を対象に電気合成反応を行う微生物を探索している。
今年度は、昨年度に行った沿岸海洋環境サイトでの現場電気集積培養実験で得られた集積微生物群集のメタトランスクリプトーム解析を実施し、優占集団の電気合成代謝を担っていると推測される遺伝子群を特定することができた。当該集団は、特定のマルチヘムシトクロムcタンパク質群を使って細胞外から電子を取込み、Cbb3型酸化酵素で酸素呼吸を行い、カルビン―ベンソン回路で炭酸固定を行っていたこと、また電極から電子供給を行った電気合成条件ではATP合成酵素やリボソームタンパク質の遺伝子が高発現していたことから細胞代謝増殖活性が高かったことが示唆された。
また沿岸環境サイトでの実験・解析に加えて深海熱水域を含む複数の深海底環境サイトでも現場電気集積培養実験を行っており、その一部で集積産物を回収し予察的な解析を実施した。
これらは報告のほとんど無かった電気合成微生物活動について、有力な電気合成微生物候補の代謝機構と電気合成条件下での生きざまについての知見をもたらすと考える。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
今年度は昨年度に引き続き、沿岸海洋環境サイトでの現場実験で得られた集積サンプルのオミクス解析を進展させることができた。具体的には、昨年度から行ってきた電気合成微生物候補を高度に含む集積産物のメタゲノム解析で得られた優占集団のMetagenome Assembled Genome（MAG）に対し、新たに実施したRNAシーケンスの結果を合わせることで、電極から電子供給を行った電気合成条件および比較対象としての非電気合成条件における遺伝子発現変動解析を実施し、当該優占集団の電気合成代謝を担う遺伝子群を特定できた。特に、当該MAGには細胞外からの電子取込みを担う可能性があるマルチヘムシトクロムcタンパク質遺伝子が多数コードされていたが、そのうちの一部のみが高発現していたことは、細胞外電位などの環境条件に合わせて異なる電子取込み経路を使い分けている可能性を想起させるもので興味深い。また、ATP合成酵素やリボソームタンパク質など細胞の代謝・増殖活性の指標となる遺伝子群において、電気合成条件で非電気合成条件と比較して高い発現活性が認められたことは、当該集団が電子を取り込むことで「元気に」活動していることを示唆する結果を得たものと考える。
これらは、ほとんど報告の無かった環境中での電気合成微生物の生きざまを捉え、その理解を進める成果であると考える。
以上から、研究課題は順調に進展していると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
沿岸環境の電気合成環境場で優占する電気合成微生物候補の集積・オミクス解析について、これまでに得られたMAGと遺伝子発現データを基に他の環境微生物MAGとの比較解析を行い、当該集団の海洋環境での地位や電気合成代謝の環境中での拡がりを考察する。特に、細胞外からの電子取込みに重要な役割を担っていると推定される遺伝子発現活性の高かったマルチヘムシトクロムcタンパク質遺伝子について分子系統解析を行い、他の集団に同様の遺伝子群がどのように共有されているか明らかにしたい。
また、並行している深海底環境サイトでの現場電気集積培養実験について、サンプルを回収し解析を実施する。こちらについては今年度に一部実験のサンプルを回収して予察的解析を行い、沿岸環境実験とは異なる系統集団の集積を示唆する結果を得た。この予察的知見から、「深海底と沿岸域の異なる環境サイトでは異なる電気合成微生物が1次生産者として活動する」という仮説を立て、両環境サイト間での優占集団の系統・代謝機能を比較することで、環境と電気合成微生物活動の多様性について考察を試みる。
更に、これまでの解析で見出した電気合成微生物候補の更なる解析・分離培養を目指し、現場反応実験で集積した微生物群集を播種源とした実験室での電気集積培養実験を実施する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
昨年度に引き続き、今年度も新型コロナウイルス感染症の影響で、予定していた海洋環境サイトでの現場培養実験の計画を縮小して行ったために、旅費と消耗品費を使わず、次年度使用額が生じた。また、それに伴ってメタトランスクリプトーム解析もサンプル数が大幅に少なくなり、作業時間も確保できて自分で実験して解析をおこなったため、依頼解析に計上したその他の経費を使わなかった。
今後は、社会活動制限がほぼ無くなったことで延期していた調査・実験計画を実施すること、またこれまでに解析していたサンプルについても、論文化に向けて必要となる凍結保存していた同一実験由来サンプルの追加解析を実施する。これらのために使用していなかった旅費・消耗品費・メタゲノム・メタトランスクリプトーム解析の受託解析費に経費を使う予定である。
また、これまでに現場実験で有望な電気合成微生物候補が見出されたことから、今後これらの更なる解析・分離培養を目指して実験室での電極集積培養実験を行う。このための物品・消耗品を購入する予定である。
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