ヒ酸還元細菌

ヒ酸塩還元細菌は_{、ヒ酸塩を還元する細菌です。ヒ酸塩還元細菌は、}ヒ素で汚染された地下水（水環境）に広く分布しています。^{[ 1 ]}ヒ酸塩は^、ヒ酸（_H3AsO4 ）の塩またはエステルであり、 AsO43−イオンから構成されています。これらは中程度の酸化剤であり、亜ヒ酸塩やアルシンに還元される可能性があります。ヒ酸塩は、有機基質やH2SまたはH2の酸化のための_呼吸電子_受容体として機能します。 [ ^{2 ]ヒ} 酸塩は、アダマイト、アラサイト、レグランダイト、エリスライトなどの鉱物中に天然に存在し、水和ヒ酸塩または無水ヒ酸塩として存在します。ヒ酸塩は、ヒ素（As）とリン（P）が周期表の15族（またはVA）に存在するため、リン酸塩に似ています。リン酸塩とは異なり、ヒ酸塩は風化によって鉱物から容易に失われることはありません。これらは、水性好気性環境における無機ヒ素の主要な形態です。一方、亜ヒ酸塩は嫌気性環境でより一般的であり、移動性が高く、ヒ酸塩よりも毒性が高いです。^{[ 2 ]}亜ヒ酸塩は、ほとんどの環境条件下でヒ酸塩よりも25～60倍毒性が高く、移動性も高いです。^{[ 3 ]}ヒ酸塩は、解糖系 のグリセルアルデヒド-3-リン酸→1,3-ビスホスホグリセリン酸の段階で無機リン酸塩を置き換えて、代わりに1-アルセノ-3-ホスホグリセリン酸を生成するため、中毒を引き起こす可能性があります。解糖系は継続しますが、1分子のATPが失われます。したがって、ヒ酸塩は解糖系を脱共役させる能力があるため毒性があります。ヒ酸塩はまた、ピルビン酸からアセチルCoAへの変換を阻害し、それによってTCAサイクルをブロックし、ATPのさらなる損失をもたらします。

ヒ酸塩は酸化環境における主要なヒ素形態ですが、ある研究では、製錬所跡地のヒ素汚染土壌から採取された細菌が、ヒ素濃度が75  mg/Lという高濃度でも嫌気条件下でAs(+5)をAs(+3)に還元できることが示されました。^{[ 3 ]} ヒ酸塩呼吸細菌と古細菌は、淡水河川や堆積物、アルカリ性湖や塩湖、温泉など、さまざまな自然環境からも最近分離されています。^{[ 3 ]}しかし、ヒ酸塩還元細菌は、特に新たな炭素源が供給されるまで、またおそらく高濃度のヒ素による選択圧がかかるまでは、少数しか存在しない可能性があります。^{[ 4 ]} 浅井戸の飲料水にヒ素を放出することで深刻な汚染問題を引き起こしているヒ酸塩還元細菌の一般的な生息地には、バングラデシュ、アメリカ中西部、カナダ大西洋沿岸州などがあります。^{[ 5 ]}

ヒ素（+3）は、カリフォルニア州モノ湖の温泉バイオフィルムなどで見られるような無酸素光合成を促進します。無酸素光合成、つまり酸素を生成しない光合成は、光合成細菌や特定のシアノバクテリアによく見られ、水以外の電子供与体を使用してCO2を還元し、_{バイオマス}に取り込みます。この光独立栄養のメカニズムは通常、電子供与体として硫化水素（H2S _）を使用し、単一の光化学系を触媒として使用し、硫化物を硫黄と硫酸塩に酸化して、層状微生物マットや成層湖の密度躍層など、光にさらされた無酸素硫化物環境で光合成生物の成長を支えます。

ヒ酸還元細菌は、ヒ酸還元酵素を介してヒ酸（As(+5)）を亜ヒ酸（As(+3)）に還元することでエネルギーを得ます。As(+5)は、異化ヒ酸還元原核生物（ DARP ）によって直接As(+3)に還元され、その成長を支えるエネルギーが得られます。^{[ 3 ]}ヒ酸還元原核生物は、ヒ素の酸化還元反応からのエネルギーを利用して有機分子を合成します。^{[ 6 ]} 完全な還元プロセスには約21時間かかります。^{[ 3 ]}異化As(+5)呼吸原核生物は、 Chrysiogenes、Bacillus、Desulfomicrobium、Sulfurospirillum、Shewanella、Citrobacter、およびSulfurihydrogenibium種を含む 多様な系統群で構成されています。具体的な種としては、Klebsiella oxytoca、Citrobacter freundii、Bacillus anthracisなどが挙げられる。As(+5)を呼吸する能力はいくつかの系統群に広がっているが、これらの生物におけるAs(+5)還元機構は保存されているようである。^{[ 4 ]}

_{生細胞（微生物またはヒト）は}一般的にヒ酸塩または亜ヒ酸塩としてヒ素に曝されます。ヒ酸塩（As(+5)）のpKaは7.0で、pH7.0ではHAsO42−^とH2AsO41−が同量存在します。ヒ酸塩は溶解度が高いと考えられていますが、カルシウムや不溶性の鉄化合物が存在する多くの環境では_、リン^酸_塩と同様に沈殿します。亜ヒ酸塩（As(+3)）のpKaは9.3で、中性または酸性のpHではAs(OH) ₃として存在します。水中の亜ヒ酸塩は非イオン化グリセロールの無機等価物と考えることができ、グリセロポリン膜チャネルタンパク質によって細菌細胞からヒト細胞へと細胞膜を介して輸送されます。

ヒ酸塩を還元する 2 つの別々のプロセスには2 つの酵素が関与しています。膜結合型またはペリプラズム呼吸ヒ酸塩還元酵素と細胞質ヒ酸塩還元酵素です。嫌気性呼吸ヒ酸塩還元酵素は AsO ₄ ³⁻を As(OH) ₃に還元します。これは、鉄硫黄 (FeS) 中心を含むより大きなモリブドプテリンサブユニット ( ArrA )からなるヘテロ二量体ペリプラズムまたは膜結合タンパク質です。これには、2^{電子伝達経路に関与する FeS 補因子と、FeS 補因子を ArrA または HIPIP (}高電位鉄タンパク質) ポリペプチドに連結するアミノ酸システインまたはヒスチジンが含まれます。また、より小さな FeS 中心タンパク質 ArrB も含まれています。グラム陽性桿菌のこの酵素は、グラム陰性細菌の酵素とは異なり、ペリプラズム区画を持たないグラム陽性細胞の膜に固定されている。

微生物に広く見られる細胞質ヒ酸還元酵素は、細胞内防御に関与し、AsO ₄ ³⁻を As(OH) ₃に還元するが、その過程の一部は細胞質内で起こる。arsC遺伝子は、ほとんどの細菌および一部の古細菌ゲノムのヒ素耐性に関するarsオペロンに存在する。これは、酵素活性のカスケードシーケンスに関与する 3 つの必須システイン残基を含む、約 135 個のアミノ酸からなる単量体タンパク質である。ArsC酵素には補因子はない。最初に認識された細胞質ヒ酸還元酵素は、グラム陽性ブドウ球菌のプラスミド上で発見された。チオレドキシン結合ヒ酸還元酵素クレードは、グラム陽性細菌のプラスミドおよびゲノム、ならびに一部のグラム陰性細菌に広く見られる。 Pseudomonas aeruginosaのゲノムには、グルタレドキシンおよびチオレドキシンと共役するArsC還元酵素の別々の遺伝子が存在する。対照的に、シアノバクテリアのものは、チオレドキシン依存性還元酵素と強い配列類似性を持つが、グルタレドキシンとグルタチオンで機能する珍しいハイブリッドであるようだ。シアノバクテリアのヒ酸還元酵素はホモ二量体でもあり、他の既知の細菌酵素とは異なるが、酵母酵素に似ている。^{[ 5 ]}

ある研究では、オーストラリア、ビクトリア州ベンディゴのヒ素汚染金鉱山から採取した泥のサンプル（pH 7.6、ヒ素濃度 2.5  mg l ⁻¹）を濃縮に使用した。この泥をヒ酸塩（5 mM）と酢酸（10 mM）を含む嫌気性最小培地に入れ、5日間培養した。濃縮液を2回継代培養し、3回目の継代培養液を段階希釈して、嫌気チャンバー内のハンゲートロールチューブまたは寒天プレートに、1.5%（w/v）オキソイド寒天（オキソイド社、英国ハンプシャー）、ヒ酸塩（5 mM）、酢酸（10 mM）を含む最小培地に接種した。いくつかのコロニーを選択し、精製し、ヒ酸塩（5 mM）と酢酸（10 mM）を電子供与体として呼吸する能力を試験した。運動性のある桿菌が分離され、JMM-4と命名された。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

系統解析によると、微生物のヒ素代謝はおそらく無酸素の原始地球にまで遡る。無酸素光合成によって生成されたAs(+5)は、原始地球最初のAs(+5)呼吸原核生物のニッチを作り出した可能性がある。高濃度の亜ヒ酸と硫化物を含む温泉から供給される無酸素塩水プールの岩石表面に生育する微生物バイオフィルムでは、無酸素条件下で亜ヒ酸(+3)からヒ酸(+5)への光依存性酸化が起こることが発見された。光合成細菌の純粋培養は、As(+3)を唯一の光合成電子供与体として使用した場合、光独立栄養生物として増殖した。この株には、As(+5)還元酵素をコードすると考えられる遺伝子が含まれていた。しかし、好気性化学合成独立栄養生物のAs(+3)酸化酵素遺伝子の相同体は検出されず、還元酵素の機能が逆であることを示唆している。^{[ 11 ]}

ある研究では、合計9種類のヒ酸呼吸性原核生物が記載されており、そのうち6種類は非呼吸性基質である乳酸を電子供与体として利用している。これらの生物は系統発生的に以下のように分類される。

飲料水や灌漑用水として使用される地下水のヒ素汚染は世界的な問題であり、アメリカ大陸、アジア、中央ヨーロッパの多くの場所で人体に有害な曝露のリスクが生じている。最近の多くの研究では、ガンジス・ブラマプトラ・メグナデルタ内のヒ素濃度が高い地下水が報告されており、バングラデシュだけでも3500万人以上がヒ素中毒のリスクにさらされている。ヒマラヤ山脈に広く分布するヒ素を多く含む鉱物の風化と、その鉱物が徐々に運ばれて下流の沖積デルタに堆積し、その後微生物によってヒ素が溶解されることが、この地域の帯水層へのヒ素の移動の主なメカニズムであると考えられている。同様にヒ素濃度が高い地下水の発生に適した条件は、ヒ素濃度が高いことが報告されている東南アジアの紅河デルタとメコン川デルタにも存在すると考えられている。^{[ 1 ]}

微生物代謝は、浅井戸を含む飲料水に亜ヒ酸を放出することで、環境中のヒ素問題を悪化させることは疑いない。そのメカニズムを理解することで、影響を最小限に抑えることができる。微生物の嫌気性呼吸ヒ酸還元酵素が、新たに掘削された井戸の地下に固定されていたAs(+5)を水中に放出すると考えられている。微生物代謝（亜ヒ酸酸化酵素と鉱床での沈殿の組み合わせ）は、ヒ素で汚染された廃水や飲料水の実用的なバイオレメディエーションに利用できる可能性がある。しかし、この可能性は認識され始めたばかりで、この方向での継続的な取り組みは行われていない。As(+3)をAs(+5)に酸化してヒ素を除去する微生物バッチリアクターや、As(+5)からAs(+3)への還元後の細胞内隔離による植物浄化の可能性を目的とした、遺伝子組み換え植物における細菌ヒ酸還元酵素遺伝子の使用が最近報告されている。^{[ 5 ]}