Loading article…
| メタノサルシナ | |
|---|---|
| |
| Methanosarcina barkeri、標準株 MS Tの位相差写真 | |
科学的分類 
| |
| ドメイン： | 古細菌 |
| 王国： | ユーリアキオータ |
| クラス： | メタン微生物 |
| 注文： | メタノサルシナール |
| 家族： | メタノサルシナ科 |
| 属: | メタノサルシナ・ クライバーとファン・ニール 1936 |
| タイプ種 | |
| メタノサルシナ・バルケリ シュネレン 1947
| |
| 種 | |
| |
| 同義語 | |
| |
メタノサルシナ属は、メタンを生成する広古 細菌の一種です。これらの単細胞生物は、メタン生成の 3 つの代謝経路すべてを使用してメタンを生成する嫌気性メタン生成菌として知られています。メタノサルシナ属は、地表、地下水、深海の噴出孔、動物の消化管など、酸素の影響から安全に過ごせるさまざまな環境に生息しています。 メタノサルシナ属は群生して成長します。
アミノ酸ピロリシンは、メタノサルキナ属のM. barkeriで初めて発見されました。ヘモグロビンの原始的なバージョンがM. acetivoransで発見されており、この微生物またはその祖先が地球上の生命の進化に重要な役割を果たした可能性があることを示唆しています。メタノサルキナ属の種は、異常に大きなゲノムでも知られています。M . acetivoransは、知られているあらゆる古細菌の中で最大のゲノムを持っています。
2014年に発表された理論によれば、メタノサルキナは地球史上最大の絶滅イベントであるペルム紀-三畳紀絶滅イベントの主な原因であった可能性がある。この理論は、遺伝子導入による新しい代謝経路の獲得とそれに続く指数関数的な増殖によって、微生物が海洋堆積物中の膨大な有機炭素堆積物を急速に消費できるようになり、地球の海洋と大気中のメタンと二酸化炭素の急激な蓄積につながり、世界の種の約90％が死滅したと示唆している。この理論は、火山活動などの他の理論よりも、時代堆積物中の観測された炭素同位体レベルをよりよく説明できる可能性がある。
メタノサルシナは1980 年代半ばから廃水処理に使用されてきました。研究者たちは、これを代替エネルギー源として利用する方法を模索してきました。メタノサルシナ菌株は、125 mM メタノールと 40 mM 酢酸ナトリウムを含む HS ブロス培地 (HS-MA 培地) で 35 °C で単細胞形態 (Sowers ら、1993) で培養されました。
概要
メタノサルシナは、既知のメタン生成の3つの代謝経路すべてを使用してメタンを生成する唯一の既知の嫌気性 メタン生成菌である可能性があります。メタン生成は廃棄物処理産業にとって重要であり、生物学的に生成されたメタンは重要な代替燃料源でもあります。ほとんどのメタン生成菌は、二酸化炭素と水素ガスからメタンを生成します。他のメタン生成菌は、酢酸を酢酸分解経路で利用します。これら2つの経路に加えて、メタノサルシナの種は、メチロトローフメタン生成によってメチル化された1炭素化合物を代謝することもできます。このような1炭素化合物には、メチルアミン、メタノール、メチルチオールが含まれます。 [1]メタノサルシナの種のみが、既知のメタン生成の3つの経路すべてを持ち、酢酸を含む9種類以上のメタン生成基質を利用できます。
メタノサルキナは、生態学的に世界で最も多様性に富んだメタン生成菌です。埋立地、下水山、深海の噴出孔、深層地下水などの環境、さらには牛、羊、山羊、鹿など多くの異なる有蹄動物の腸内にも生息しています。 [1] メタノサルキナは人間の消化管でも発見されています。[2] M. barkeri は極端な温度変動に耐え、長期間水なしでも生きることができます。さまざまな化合物を消費したり、水素と二酸化炭素だけで生きることができます。[3]また、通常は生命にとって危険な低pH環境 でも生き残ることができます。 [4]その極端な汎用性に注目した生物学者ケビン・サワーズは、 M. barkeri は火星でも生きられる可能性があると仮定しました。 [3] メタノサルキナはコロニーで成長し、原始的な細胞分化を示します。[1]
2002年、オハイオ州立大学の研究者らがM. barkeriでアミノ酸ピロリシンを発見した。[5]研究チームによる以前の研究では、 M. barkeri の遺伝子には通常予想されるようにタンパク質の終わりを知らせないインフレームアンバー（UAG）コドンがあることが示されていた。この動作は未知のアミノ酸の可能性を示唆し、数年にわたってタンパク質をペプチドにスライスして配列決定することで確認された。ピロリシンは1986年以来発見された最初の遺伝的にコード化されたアミノ酸であり、全体では22番目であった。[6]その後、メタノサルシナ科全体と、デスルフィトバクテリウム・ハフニエンセという単一の細菌で 発見された。
M. acetivoransとM. mazei はどちらも例外的に大きなゲノムを持っています。2008 年 8 月現在、 M. acetivorans は5,751,492塩基対で、配列が判明した古細菌ゲノムの中で最大です。M . mazeiのゲノムは4,096,345 塩基対です。[1]
メタノサルキナの細胞膜は比較的短い脂質、主にC25炭化水素とC20エーテルでできています。他のメタン生成菌の大部分はC30炭化水素とC20とC40エーテルの混合物を持っています。[7] [8]
系統発生
現在受け入れられている分類法は、原核生物の命名法リスト（LPSN）[9]と国立生物工学情報センター（NCBI） [10]に基づいています。
地球上の生命の初期発達における役割
2004年、M. acetivoransと別の古細菌であるAeropyrum pernixで、ヘモグロビンの原始的なバージョンが2つ発見されました。[17] プロトグロビンとして知られるこれらのグロビンは、ヘモグロビンと同様に酸素と結合します。M . acetivoransでは、これにより、この嫌気性生物にとって有毒となる不要な酸素を除去することができます。したがって、プロトグロビンは、酸素に依存する後の生命体の進化への道を切り開いた可能性があります。[18]大酸化イベント の後、地球の大気中に自由酸素が存在すると、酸素を処理する能力が生命の広範な放射につながり、地球の生命体の進化における最も基本的な段階の1つになりました。[17]
M. acetivoransに触発され、ジェームズ G. フェリーとクリストファー ハウスが率いるペンシルベニア州立大学の研究チームは 2006 年に新しい「熱力学的進化論」を提唱しました。M . acetivorans が一酸化炭素を酢酸に変換することが観察されたため、科学者は、鉱物に付着した初期の「原始細胞」が同様に原始的な酵素を使用して、酢酸を排出しながらエネルギーを生成していた可能性があるという仮説を立てました。したがって、この理論は、単純な分子の原始スープが非生物学的プロセスから発生したとする初期進化の「従属栄養」理論と、最も初期の生命体がほとんどの単純な分子を作成したとする「化学合成独立栄養」理論を統合しようとしました。著者は、「従属栄養理論と化学合成理論の間の論争は炭素固定を中心に展開されましたが、実際には「これらの経路は最初にエネルギーを生成するために進化しました。その後、炭素を固定するように進化しました」と指摘しました。[2] 科学者たちはさらに、鉱物に結合した原始細胞が自由生活を送ることを可能にし、同じエネルギーベースの経路を使用して酢酸代謝をメタンに進化させるメカニズムを提案しました。彼らは、M. acetivorans が地球上で最初の生命体の一つであり、初期の原始細胞の直接の子孫であると推測しました。この研究は、2006年6月にMolecular Biology and Evolution誌に掲載されました。[2]
最近、研究者らはメタノサルキナのゲノム証拠を用いて酢酸キナーゼとホスホアセチルトランスフェラーゼの進化仮説を提唱した。[19]科学者らは、酢酸キナーゼがアクチンを含む主要なタンパク質スーパーファミリーのウロキナーゼである可能性があると 仮説を立てている。 [ 20]証拠は、酢酸キナーゼが古代の好塩性メタノサルキナのゲノム でアセチルCoA合成酵素遺伝子の複製と分岐を通じて進化したことを示唆している。[19]
ペルム紀-三畳紀絶滅イベントにおける役割
メタノサルキナのメタン生成がペルム紀-三畳紀の絶滅の原因の1つであったという仮説が立てられた。メタノサルキナの過剰繁殖により、海洋酸性化で貝類の70%が死亡したと推定されている。[21]中国とアメリカの研究者らが行った研究はこの仮説を裏付けている。約50のメタノサルキナのゲノムの遺伝子解析を用いて、研究チームは、この微生物が酢酸キナーゼとホスホアセチルトランスフェラーゼを用いて酢酸を効率的に消費する能力を、およそ2億4000±4100万年前、[a]絶滅が起こった2億5200万年前頃に獲得した可能性が高いと結論付けた。[21]これらの酵素の遺伝子は、遺伝子導入によってセルロース分解細菌から獲得された可能性がある。[22]メタノサルシナ属の種がそれぞれの環境に適応する上で遺伝子転移は重要な役割を果たしており、メタノサルシナ・マゼイなどの種のゲノムには遺伝子転移によって獲得された遺伝子が最大31%含まれている。[23]
科学者たちは、これらの新しい遺伝子が、海洋に広く存在する有機炭素堆積物と豊富なニッケル供給と相まって、[b]メタノサルキナの個体数が劇的に増加したと結論付けました。彼らの理論によれば、これは大量のメタンを廃棄物として放出することにつながった。[22] その後、メタンの一部は他の生物によって二酸化炭素に分解されたと考えられます。[24] これら2つのガスの蓄積により、海洋の酸素レベルが劇的に低下し、酸性度も上昇したと考えられます。陸上の気候は、これらの温室効果ガスが大気中に放出されたことにより、同時に気温の上昇と重大な気候変動を経験したと考えられます。大気中の二酸化炭素とメタンの蓄積が最終的に硫化水素ガスの放出を引き起こし、陸上生物にさらなるストレスを与えた可能性があります。チームの研究結果は、2014年3月に米国科学アカデミー紀要で発表されました。[21]
微生物説の支持者は、炭素レベルの急上昇とその後の緩やかな減少を引き起こす火山噴火よりも、この説の方が、この時代の堆積物中の炭素同位体レベルの急激かつ継続的な上昇をよりうまく説明できると主張している。[22]微生物説は、火山活動がメタノサルキナが補因子として必要とする ニッケルを供給するという別の役割を果たしたと示唆している。したがって、微生物説では、シベリアの火山活動は大量絶滅のきっかけではあったが、主因ではなかったとしている。[25]
人間による使用
1985年、清水建設は、食品加工工場や製紙工場からの廃水を処理するため、メタノサルシナを使用するバイオリアクターを開発した。水はリアクターに供給され、微生物が廃棄物の粒子を分解する。古細菌によって生成されたメタンはリアクターの動力として使用され、運転コストが安くなる。テストでは、メタノサルシナは廃棄物の濃度を5,000～10,000 ppmから80～100 ppmに低下させた。浄化プロセスを完了するには、さらに処理が必要だった。[26] 1994年のChemistry and Industry のレポートによると、メタノスリックス・ソエーンゲニーまたはメタノサルシナによる嫌気性消化を利用するバイオリアクターは、好気性消化を利用するバイオリアクターよりも汚泥副産物が少ない。 メタノサルシナリアクターは、35～55℃の温度範囲、pH範囲6.5～7.5で動作する。[27]
研究者たちは、メタノサルキナのメタン生成能力を代替エネルギー源としてより広く利用する方法を模索してきた。2010年12月、アーカンソー大学の研究者たちは、エステルを分解できる遺伝子をM. acetivoransに組み込むことに成功した。彼らは、これによりバイオマスをより効率的にメタンガスに変換して発電できるようになると主張した。[28] 2011年には、埋立地での分解中に生成されるメタンのほとんどがM. barkeri 由来であることが示された。研究者たちは、この微生物は低pH環境でも生存でき、酸を消費することでpHを上昇させ、より幅広い生物が繁栄することを発見した。彼らは、自分たちの発見が、古細菌が生成するメタンを代替エネルギー源として使用する研究を加速させるのに役立つ可能性があると主張した。[4]
注記
参照
参考文献
- ^ abcd ジョージア州ガラガン;ナスバウム、C.ロイ、A.エンドリッツィ、MG;マクドナルド、P.フィッツヒュー、W.カルボ、S.エンゲルス、R.スミルノフ、S.アトノール、D.ブラウン、A.アレン、N.ネイラー、J.スタンゲ・トーマン、N.ディアラノ、K.ジョンソン、R.リントン、L.マキューアン、P.マッカーナン、K.タラマス、J.ティレル、A.そう、W。ジマー、A.バーバー、RD;カン、I。デラウェア州グラハム。ジョージア州グレアム。ガス、午前。ヘデリック、R.イングラム・スミス、C. (2002)。「 M. Acetivoransのゲノムは広範な代謝と生理学的多様性を明らかにする」。ゲノム 研究。12 （ 4 ）：532–542。doi ：10.1101/gr.223902。PMC 187521。PMID 11932238。
- ^ abc 「メタンを吐き出す虫が地球上の生命の起源に関する新たな理論を示唆」Space Daily 2006年5月15日。
- ^ ab Michael Schirber (2009年7月14日). 「募集：気楽な火星人のルームメイト」. Space Daily .
- ^ ab 「研究者らが埋立地のメタンの原因微生物を特定」（プレスリリース）。ノースカロライナ州立大学 - ローリー。2011 年 4 月 6 日。
- ^ 「サイエンスノートブック」ワシントンポスト、2002年5月27日、p. A09。
- ^ 「新しいアミノ酸が発見されました」。応用遺伝学。22 (11)。2002年6月。
- ^ Ian Kerman. 「Methanosarcina barkeri」. 2014年4月9日閲覧。
- ^ GD Sprott; CJ Dicaire; GB Patel (1994). 「高速原子衝撃質量分析法によるメタノサルシナ・マゼイとその他のメタノサルシナ属菌種のエーテル脂質の比較」. Canadian Journal of Microbiology . 40 (10): 837–843. doi :10.1139/m94-133.
- ^ JP Euzéby. 「Methanosarcina」。命名法で定められた原核生物名のリスト（LPSN） 。 2021年11月17日閲覧。
- ^ Sayers; et al. 「Methanosarcina」。国立生物工学情報センター(NCBI) 分類データベース。2022年6月5日閲覧。
- ^ 「The LTP」 。 2023年5月10日閲覧。
- ^ 「LTP_all tree in newick format」。2023年5月10日閲覧。
- ^ 「LTP_06_2022 リリースノート」(PDF) 。 2023年5月10日閲覧。
- ^ 「GTDBリリース08-RS214」。ゲノム分類データベース。 2023年5月10日閲覧。
- ^ "ar53_r214.sp_label".ゲノム分類データベース. 2023年5月10日閲覧。
- ^ 「分類の歴史」。ゲノム分類データベース。 2023年5月10日閲覧。
- ^ ab 「最古のヘモグロビンの祖先が、酸素をベースとした最古の生命の手がかりを提供」（プレスリリース）。国立科学財団。2004 年 4 月 20 日。
- ^ 「科学者が原始的なヘモグロビンを発見」UPI、2004年4月20日。
- ^ ab Barnhart, Elliott P.; McClure, Marcella A.; Johnson, Kiki; Cleveland, Sean; Hunt, Kristopher A.; Fields, Matthew W. (2015 年 8 月 3 日)。「細菌と古細菌における酢酸スイッチの進化におけるアセチル CoA 合成酵素 (acs) とリンゴ酸脱水素酵素 (mae) の潜在的な役割: Scientific Reports」。Scientific Reports . 5 (1): 12498. doi :10.1038/srep12498. PMC 4522649 . PMID 26235787。
- ^ Buss, KA; Cooper, DR; Ingram-Smith, C.; Ferry, JG; Sanders, DA; Hasson, MS (2001-01-01). 「ウルキナーゼ：ホスホトランスフェラーゼのASKHAスーパーファミリーのメンバーである酢酸キナーゼの構造」。Journal of Bacteriology . 183 (2): 680–686. doi :10.1128/JB.183.2.680-686.2001. ISSN 0021-9193. PMC 94925. PMID 11133963 .
- ^ abc Rothman, DH; Fournier, GP; French, KL; Alm, EJ; Boyle, EA; Cao, C.; Summons, RE (2014-03-31). 「ペルム紀末の炭素循環におけるメタン生成の急増」。米国科学アカデミー紀要。111 (15) : 5462–7。Bibcode : 2014PNAS..111.5462R。doi : 10.1073 / pnas.1318106111。PMC 3992638。PMID 24706773。
- ^ abc Steve Connor (2014年3月31日). 「火山？隕石？いいえ、史上最悪の大量絶滅、つまり大絶滅は、微生物の交尾によって引き起こされた可能性があります」。インディペンデント。2022年5月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年3月31日閲覧。
- ^ デッペンマイヤー、ウーヴェ;ヨハン、アンドレ。ハーチ、トーマス。メルクル、ライナー。シュミッツ、ルースA.マルティネス＝アリアス、ローザ。ヘンネ、アンケ。ウィーザー、アルニム。バウマー、セバスチャン。ヤコビ、カールステン。ブリュッゲマン、ホルガー。タンジャ・リナード。クリストマン、アンドレアス。ボメケ、メヒトヒルト。シュッケル、ジルケ (2002 年 7 月)。 「メタノサルシナ・マゼイのゲノム：細菌と古細菌の間の遺伝子の側方伝達の証拠」。分子微生物学およびバイオテクノロジーのジャーナル。4 (4): 453–461。ISSN 1464-1801。PMID 12125824。
- ^ Laura Dattaro (2014年3月31日). 「研究によると、地球史上最大の絶滅は微生物が原因」The Weather Channel . 2014年3月31日閲覧。
- ^ ウィル・ダナム（2014年3月31日）。「メタンを吐き出す微生物が地球最悪の大量絶滅の原因」ロイター。 2014年3月31日閲覧。
- ^ 「清水が安価で簡単な廃水処理技術を開発」日本経済新聞1985年6月18日 化学・繊維部門、17ページ。
- ^ 「嫌気性バイオリアクターが経済的に」水技術2 ( 4) 1994年7月。
- ^ 「研究者らが微生物における新たなメタン生成経路を開発」（プレスリリース）。アーカンソー大学。2010 年 12 月 8 日。