海洋微生物光受容の全貌解明：大規模メタゲノムで描き出す海と光のSeascape

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00557
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉澤 晋 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00553108)
• 研究分担者: 岩崎 渉 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50545019)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2027-03-31
• キーワード: メタゲノム / 海洋微生物 / 微生物生態 / 光受容体

研究実績の概要

本研究では、これまでに実施されたほぼ全ての海洋メタゲノムプロジェクトを集約・再アセンブル・再解析を行い、海洋微生物を全球レベルで比較可能なデータベースを構築する。構築したデータベースを用いて、海洋微生物の持つ光受容システム（ロドプシンや光合成に関連する遺伝子）の分布を網羅的に解析する。また、メタゲノム再構築ゲノム（MAG）から、各遺伝子を持つ生物種の特定を行い、上記解析結果と統合することで、海洋微生物の持つ光受容システムを全球レベルで可視化することを目指す。

メタゲノムデータを用いて、個々の微生物ゲノム（MAG：Metagenome-Assembled Genome）を解読する手法の開発をおこない、開発した手法を用いて、公共データベースから入手可能な、様々な海洋環境に由来する大規模メタゲノムデータ（約29兆塩基対）の解析を行なった。その結果、59門にまたがる5万以上の原核生物ゲノムの解読に成功し、得られたゲノムの情報を整備して、約15,000ゲノムを収載する海洋微生物ゲノムデータベースMarDBを大幅に上回る、世界最大の海洋微生物ゲノムカタログ「OceanDNA MAGカタログ」として公開した。構築した世界最大の微生物ゲノムデータベースを用いることで、これまでにない解像度で機能遺伝子の分布および遺伝子を持つ分類群を調べることが可能になる。今後の研究では、データベースを用いて、微生物型ロドプシン、光合成関連遺伝子（pufM）の全球分布の解析を実施予定である。

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

大規模メタゲノムデータの解析を行い、海洋微生物ゲノムカタログ「OceanDNA MAGカタログ」として公開することができたため、順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

これまでの研究で構築した「OceanDNA MAGカタログ」を用いて、ロドプシンおよびpufM遺伝子を保有するゲノムを対象に大規模系統解析を行い、光受容体を保有する細菌分類群を網羅的に明らかにする。これまでに光受容体関連遺伝子が報告されていない分類群が見つかった場合は、ゲノムの詳細を調べ、その特徴を明らかにする予定である。また、系統解析と並行して、ロドプシンおよびpufM遺伝子の海洋環境での分布を解析する。ロドプシンに関しては、レチナールの光捕集を補助するアンテナ色素の有無までを調べる予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Conformational alterations in unidirectional ion transport of a light-driven chloride pump revealed using X-ray free electron lasers (2022)
  • 著者名/発表者名: Hosaka, Nomura, Kubo, Nakane, Fangjia, Sekine, Ito, Murayama, Ihara, Ehara, Kashiwagi, Katsura, Akasaka, Hisano, Tanaka, Tanaka, Arima, Yamashita, Sugahara, Naitow, Matsuura, Yoshizawa, Tono, Owada, Nureki, Kimura-Someya, Iwata, Nango, Shirouzu
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 119 ページ: -
  • DOI: 10.1073/pnas.2117433119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The OceanDNA MAG catalog contains over 50,000 prokaryotic genomes originated from various marine environments (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Yosuke、Yoshizawa Susumu
  • 雑誌名: Scientific Data 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41597-022-01392-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] The OceanDNA MAG Catalog: an Unprecedented-scale Genome Resource of Marine Prokaryotes (2022)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Nishimura and Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: The 12th Asian Symposium on Microbial Ecology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Light-utilization strategies with microbial rhodopsins in cyanobacteria (2022)
  • 著者名/発表者名: Masumi Hasegawa, Toshiaki Hosaka, Keiichi Kojima, Yosuke Nishimura, Marie Kurihara, Yu Nakajima, Tomomi Kimura-Someya, Mikako Shirouzu, Yuki Sudo, Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: 18th International Society for Microbial Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] Does proteorhodopsin have any antenna mechanism? (2022)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Fujiwara, Masumi Hasegawa, Keiichi Inoue, Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: 18th International Society for Microbial Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] 海洋光合成細菌の全球的分布とそのゲノム進化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村 陽介, 塚谷 祐介, 河合 繁, 吉澤 晋
  • 学会等名: 第35回日本微生物生態学会
• [備考] 「微生物ダークマター」を解き明かす ―世界最大の海洋微生物ゲノムカタログ―
  • URL: https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2022/20220617.html