微生物はどのようにして独自の硫酸塩還元機構を作り出すのか

2023 年 6 月 5 日

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マックス・プランク協会著

ドイツのブレーメンにあるマックス・プランク海洋微生物研究所の科学者たちは、硫酸塩をすぐに使える細胞の構成要素である硫化物に変換できるメタン生成微生物の分子の秘密を明らかにした。 この発見は、バイオ燃料生産における刺激的な機会を切り開きます。

硫黄は生命の基本的な要素であり、すべての生物は細胞物質を合成するために硫黄を必要とします。 植物や藻類などの独立栄養生物は、硫酸塩を硫化物に変換することによって硫黄を獲得し、硫化物はバイオマスに組み込むことができます。 ただし、このプロセスには多量のエネルギーが必要であり、すぐに変換する必要がある有害な中間体や副産物が生成されます。

その結果、通常はエネルギーが不足しているメタン生成菌として知られる微生物は、硫酸塩を硫化物に変換できないと以前は考えられていました。 したがって、世界のメタンの半分を生成するこれらの微生物は、硫化物などの他の形態の硫黄に依存していると考えられました。

この定説は 1986 年に、唯一の硫黄源として硫酸塩で増殖するメタン生成菌 Methanothermococcus Thermolithotrophicus の発見により破られました。 エネルギーコストと有毒な中間体を考慮すると、どのようにしてこれが可能でしょうか? なぜこの硫黄種で増殖できると思われる唯一のメタン生成菌なのでしょうか? この生物は硫酸塩の同化を可能にするために化学的トリックまたはまだ知られていない戦略を使用しているのでしょうか? マックス・プランク海洋微生物研究所のマリオン・ジェスペルセンとトリスタン・ワグナーは、これらの疑問に対する答えを発見し、ジャーナル「ネイチャー・マイクロバイオロジー」に発表した。

研究者たちが直面した最初の課題は、微生物を新しい硫黄源で増殖させることでした。 「私が博士課程を始めたとき、硫化物の代わりに硫酸塩を食べるようにM.サーモリソトロフィカスを説得する必要がありました」とマリオン・ジェスペルセンは言う。 「しかし、培地を最適化した後、メタノサーモコッカスは硫酸塩上での増殖が得意になり、細胞密​​度は硫化物上で増殖した場合と同等になりました。」

「生物が成長するにつれて硫酸塩が消失するのを測定したとき、事態は非常に刺激的になりました。このとき、メタン生成菌がこの基質を変換することを実際に証明することができました。」 これにより、研究者らは、増殖のために有毒で爆発性の硫化水素ガスに依存しなくなったため、バイオリアクターでM.サーモリソトロフィカスを安全に大規模に培養できるようになった。 「この興味深い生物を研究するのに十分な生物量が得られました」とジェスパーセン氏は説明します。 これで研究者らは、根底にあるプロセスを詳細に調査する準備が整いました。

硫酸同化の分子機構を理解するために、科学者らは M. サーモリソトロフィカスのゲノムを分析した。 彼らは、硫酸還元関連酵素をコードする可能性のある 5 つの遺伝子を発見しました。 マックス・プランク研究グループ微生物代謝部門の責任者であるトリスタン・ワグナー氏は、「私たちはこれらの酵素のすべてを特徴づけることができたので、完全な経路を探索しました。その複雑さを考えると、まさに傑作です」と述べています。

科学者らは、酵素を 1 つずつ特徴づけることにより、メタン生成菌からの最初の硫酸塩同化経路を構築しました。 この経路の最初の 2 つの酵素はよく知られており、多くの微生物や植物に存在しますが、次の酵素は新しい種類のものでした。 「私たちは、M.サーモリソトロフィカスが、異化性の硫酸塩還元生物から1つの酵素を乗っ取って、それ自身のニーズを満たすためにわずかに改変したかのように見えることを見て唖然としました」とジェスペルセン氏は言う。

一部の微生物は細胞の構成要素として硫酸塩を同化しますが、他の微生物は人間が酸素を呼吸するときに行うように、異化プロセスでエネルギーを得るために硫酸塩を使用します。 異化的硫酸還元を実行する微生物は、異なる一連の酵素を使用して異化的硫酸還元を実行します。 ここで研究されたメタン生成菌は、これらの異化酵素の 1 つを同化酵素に変換しました。 「シンプルだが非常に効果的な戦略であり、おそらくこのメタン生成菌が硫酸塩上で増殖できる理由である。これまでのところ、この特定の酵素はM.サーモリソトロフィカスでのみ発見されており、他のメタン生成菌は見つかっていない」とジェスペルセン氏は説明する。

しかし、M. サーモリソトロフィカスは、硫酸塩の同化中に生成される 2 つの毒にも対処する必要があります。 これが、この経路の最後の 2 つの酵素の目的です。最初の酵素は、これも異化酵素に似ており、亜硫酸塩から硫化物を生成します。 2 つ目は、他の毒（略して PAP として知られています）を加水分解する強力な効率を備えた新しいタイプのホスファターゼです。

「M.サーモリソトロフィカスは、硫酸塩での増殖を可能にする微生物環境から遺伝情報を収集したようです。同化酵素と異化酵素を混合して適合させることにより、独自の機能的な硫酸塩還元機構を作り出しました」とワグナー氏は言う。

M. サーモリソトロフィカスなどの水素栄養性メタン生成菌は、二水素 (再生可能エネルギーから人工的に生成される H2) と二酸化炭素 (CO2) をメタン (CH4) に変換する驚くべき能力を持っています。 言い換えれば、温室効果ガス CO2 をバイオ燃料 CH4 に変換し、それを例えば家庭の暖房に使用できるということです。

これを行うために、メタン生成菌は大型バイオリアクターで培養されます。 メタン生成菌の培養における現在のボトルネックは、硫黄源として危険性が高く爆発性の高い硫化水素ガスを必要とすることである。 M. サーモリソトロフィカスにおける硫酸同化経路の発見により、バイオテクノロジーですでに使用されているメタン生成菌を遺伝子操作して、代わりにこの経路を使用することが可能になり、より安全で費用対効果の高いバイオガス生産につながります。

「未解決の疑問は、なぜM.サーモリソトロフィカスが自然界で硫酸塩を同化するのかということである。そのためには、私たちは現場に出かけて、この経路に必要な酵素が微生物の自然環境でも発現しているかどうかを確認する必要がある」と結論づけている。ワーグナー。

詳しくは：海洋メタン生成菌 Methanothermococcus Thermolithotrophicus における同化性硫酸塩還元、Nature Microbiology (2023)。 DOI: 10.1038/s41564-023-01398-8

雑誌情報:自然微生物学

マックス・プランク協会提供