共同研究報告書


研究区分 開拓型研究

研究課題

 低温水層における真の微生物機能の追究
新規・継続の別 開拓型（1年目/全3年）
研究代表者／所属 北海道大学低温科学研究所
研究代表者／職名 助教
研究代表者／氏名 渡邉友浩

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 岩田智也 山梨大学 教授

2

 小島久弥 北大低温研 助教

研究目的 本研究では、山梨県の塩川ダム湖の低温水層に繁茂する微生物種の実環境中における真の機能を研究する。これら微生物種は多様な代謝能力を持つため様々な生態学的な役割を果たすと考えられている。しかし、実環境中における挙動は未知だった。本研究では、実環境中における微生物の遺伝子発現を直接解析するメタオミクス研究によって、この課題に取り組む。従来型の研究とは異なり、微生物培養と生化学実験を情報基盤として連携する相補的なメタオミクス研究を展開する。本研究で対象とする微生物種は世界中の様々な低温環境にも分布する。よって、得られた成果は幅広い低温環境における微生物学的物質循環の理解に貢献する。
　　
研究内容・成果 本計画の軸は塩川ダム湖におけるメタオミクス解析だが、COVID-19の状況を鑑みて調査地を北海道釧路市の春採湖に変更した。春採湖は、塩川ダム湖と同じく、安定した低温水層構造を有する部分循環湖である。本年は、春採湖の水質分析とメタオミクス解析を実施した。微生物分類の指標となるDNA配列の解析結果から、湖水の上層、中層、低層、堆積物で独自の微生物群集が発達することが分かった。大半のDNA配列はバクテリア由来であったが、低層の低温水塊と堆積物からは古細菌由来のDNA配列が得られた。古細菌由来の配列の大半は、WoesarchaeotaとMethanosarcinalesに分類された。Woesarchaeotaは近年発見された機能未知の古細菌系統群であり、メタン生成古細菌と栄養共生関係を形成することで温室効果ガスのメタンの放出に関わると考えられている。Methanosarcinalesは酢酸を分解してメタンを放出する古細菌の系統群である。春採湖の場合、酸素が枯渇し高濃度メタンを含む低温水塊の古細菌群集のほぼ全てがWoesarchaeotaとMethanosarcinalesによって構成されていた。この結果は、これらの古細菌の栄養共生と酢酸を介したメタン生成を示唆する重要な発見だと考えられる。バクテリア群集は多様な分類群から構成されていた。低温水塊においては酢酸生成菌と硫酸還元菌に属する配列の相対存在量が著しく増加することが分かった。以上の結果は、春採湖の低温水塊に独自な微生物群集が有機化合物をメタンあるいは二酸化炭素ガスに分解する過程で中心的な役割を担い、酢酸がこのプロセスにける重要な中間体の1つであることを示唆している。そのより詳細な機構の解明を目指して、湖水の微生物由来のDNAを網羅的に解読するメタゲノム解析を実施した。多種多様な微生物種由来のDNA配列から構成される混合データから、微生物群集の主要な種のゲノムを再構築することに成功した。今後のさらなる解析によって、低温水塊における有機物分解およびメタン生成に関わる微生物プロセスの詳細な機構の解明が期待される。
　本計画では、従来型メタオミクス研究とは一線を画する相補的なメタオミクス研究を掲げている。これは、実環境における微生物種の遺伝子発現情報を解釈するために、実験室における微生物種の培養・遺伝子発現解析・タンパク質機能解析を連携するものである。本年度は、ジャーファーメンターによる微生物大量培養を最適化し、生化学実験によるタンパク質機能解析に必要な細胞材料を回収することに成功した。いくつかの機能未知タンパク質の発現ベクターを構築し、異種宿主において標的タンパク質を大量発現することに成功した。遺伝子発現解析に向けて対象の微生物種を培養しており、準備が整い次第、RNAの抽出と配列解読に移行する。
　総じて、本年度は研究計画期間全体の研究環境の構築に成功し、当初の予想を超える成果を得られた。
　　
成果となる論文・学会発表等