深海に着目した海洋微生物の新たな光利用戦略の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22J00714
• 配分区分: 補助金
• 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: 長谷川 万純 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, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2022-04-22 – 2025-03-31
• キーワード: 海洋微生物 / 光エネルギー / 光微生物生態

研究実績の概要

本研究は、培養株を用いた遺伝子解析や分光解析を通して、海洋微生物がもつ光受容体の多様性と特性を明らかにし、海洋全体、特に深海に棲む微生物の光利用機構の解明を目的としている。令和4年度の実施内容は以下のとおりである。
（１）深海由来微生物の分離：令和4年3月に採取済みだった海水、および令和4年10月に行われた学術研究船「白鳳丸」による研究航海にて採取した海水から、微生物の分離培養を行なった。海水を海洋細菌用寒天培地に塗布し、生えたコロニーの中から色素を生産している可能性が高い、色付きコロニーを選抜した。3月の航海では2深度・5測点から72株、10月の航海では3深度・9測点から148株、合計220株の予想よりも多くの色付きコロニーを形成する海洋細菌の分離培養に成功した。これらの多くは黄色からオレンジ色を呈していたが、薄桃色や紫色、黒色などのコロニーも見受けられた。
（２）分離株の種同定：分離した220株の海洋細菌について、16S rRNA遺伝子の配列を調べることにより種同定を行なった。興味深いことに、海洋表層に広く生息しカロテノイド色素を生産するフラボバクテリウム科よりも、エリスロバクター科に属する株が多く分離されていた。
（３）分離株の保持遺伝子の同定と比較：分離した220株の中で多く見られる分類群について、ゲノムをデータベースから取得し、その保持遺伝子の比較を始めている。また、分離株の中から、既知種と16S rRNA遺伝子の相同性が低い株についてゲノムを解読するための準備を進めている。

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

現在までに220株の色付きコロニーを形成する海洋細菌の分離培養に成功し、またそれらの種同定も完了している。また、既知種と16S rRNA遺伝子の相同性が低い株についてゲノムを解読するための準備を進めており、ゲノム解析が完了し次第、光受容体遺伝子の探索に取り掛かる予定である。次年度以降に行う、大腸菌を用いた異種発現系による光受容体の特性解析についても、手法の選定や材料の準備はほぼ完了している。

今後の研究の推進方策

次年度は、主に以下の課題に取り組む予定である。
（１）分離株の保持遺伝子の同定（ゲノムの解読）と比較：分離株のゲノムが解読でき次第、DFASTやProkkaなどのゲノム配列のアノテーションツールを用いて、遺伝子領域予測と機能予測を行う。
（２）光受容体遺伝子の探索：既知の光受容体遺伝子との相同性検索等により、光受容体である可能性が高い遺伝子を抽出する。
（３）光受容体の特性解析：（２）で抽出した光受容体遺伝子を大腸菌で発現させ、タンパク質を精製してその吸収波長や機能を調べる。

研究成果

• [雑誌論文] Phototrophy by antenna-containing rhodopsin pumps in aquatic environments (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Chazan, I. Das, T. Fujiwara, S. Murakoshi, A. Rozenberg, A. Molina-Marquez, F. K. Sano, T. Tanaka, P. Gomez-Villegas, S. Larom, A. Pushkarev, P. Malakar, M. Hasegawa, et al.
  • 雑誌名: Nature 巻: 615 ページ: 535～540
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05774-6
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] シアノバクテリアのロドプシンを用いた多彩な光利用戦略 (2022)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 万純, 保坂 俊彰, 小島 慧一, 西村 陽介, 栗原 眞理恵, 中島 悠, 染谷 友美, 白水 美香子, 須藤 雄気, 吉澤 晋
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第35回大会
• [学会発表] Cyanobacterial light-utilization strategies with microbial rhodopsins (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 Symposium on Microbial Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] Proton pumping rhodopsins as a potential facilitator for carbon fixation in marine diatoms (2022)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa, Tomonori Azuma, Keiichi Kojima, Keisuke Inomura, Masumi Hasegawa, Yosuke Nishimura, Masuzu Kikuchi, Gabrielle Armin, Hideaki Miyashita, Kentaro Ifuku, Takashi Yamano, Adrian Marchetti, Hideya Fukuzawa, Yuki Sudo, Ryoma Kamikawa
  • 学会等名: 18th International Symposium on 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 Symposium on Microbial Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] 海洋細菌の新たな光利用戦略－プロテオロドプシンが備える集光アンテナ－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤原 敬允, 長谷川 万純, 塚本雄也, 吉澤 晋
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第35回大会
• [学会発表] 海洋表層より分離した紫外線耐性株の光防御・光利用遺伝子の探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高田 真子, 藤原 敬允, 長谷川 万純, 吉澤 晋
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第35回大会
• [学会発表] 海洋細菌が保有するロドプシンの集光アンテナの発見 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤原 敬允, 長谷川 万純, 川﨑 佑真, 井上 圭一, 吉澤 晋
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会