微生物コンソーシアム

微生物岩は、淡水および海洋の底生環境で成長する、石化した微生物マットです。微生物岩は、37億年前に遡る、生命の最も古い化石証拠として知られています。今日、現代の微生物岩は希少で、主にシュードモナス門（旧プロテオバクテリア）、シアノバクテリア、硫酸還元細菌、珪藻、微細藻類によって形成されます。これらの微生物は、砂を固め、他の岩石物質を結合させて鉱物性の「微生物マット」を形成する接着性化合物を生成します。マットは層状に積み重なり、時間をかけて徐々に成長します。

様々な研究により、単一の微生物が植物に有益な効果をもたらすことが示されているが、2 つ以上の相互作用する微生物からなる微生物コンソーシアムが関与する場合、相加的または相乗的な結果が期待できることがますます明らかになっている。これは、植物の根圏のような生態系において、複数の種がさまざまなタスクを実行できるという事実によるものである。植物の成長を促進する有益なメカニズムには、根圏内のさまざまな微生物（植物成長促進細菌（PGPB）やトリコデルマや菌根菌などの真菌）によって発揮される栄養素の利用可能性の向上、植物ホルモンの調節、生物的防除、生物的および非生物的ストレス耐性などがある。^{[ 30 ]}

右の図は、植物生育促進細菌（PGPB）、アーバスキュラー菌根菌（AMF）、およびトリコデルマ属菌などの根圏微生物が植物と有益な相互作用を確立し、植物の成長と発達を促進し、病原体に対する植物の防御システムを強化し、栄養素の吸収を促進し、さまざまな環境ストレスに対する耐性を高めることができることを示しています。根圏微生物は互いに影響し合い、結果として生じるPGPB + PGPB（例えば、リゾビウム属菌やシュードモナス・フルオレッセンスなどの窒素固定細菌）、AMF + PGPB、およびトリコデルマ + PGPBのコンソーシアムは、植物の成長と適応度に相乗効果をもたらし、植物が生物的および非生物的ストレスを克服するための利点を高める可能性があります。破線の矢印は、AMFとトリコデルマの間の有益な相互作用を示しています。^{[ 30 ]}

微生物が難分解性物質を分解する能力は、環境修復や工業生産のために広く研究されてきた。単一菌株で大きな成果が上げられてきたが、機能的安定性と効率性から、現在は微生物コンソーシアムの利用に焦点が移っている。しかし、複雑な環境群集から単純化された微生物コンソーシアム（SMC）を構築することは、多様性の大きさや生物間の相互作用の影響により、依然として容易ではない。^{[ 22 ]}

ケラチンは、架橋成分を持つ難分解性の繊維状物質であり、上皮細胞で最も豊富なタンパク質である。^{[ 31 ]}生分解後には相当な経済的価値があると推定されている。^{[ 32 ]}効率的なケラチン分解微生物コンソーシアム（KMCG6）は、以前、ケラチン培地での培養により環境サンプルから濃縮された。^{[ 17 ]}濃縮プロセス中に微生物の多様性は減少したが、KMCG6には7つの細菌属に散在するいくつかのOTUが依然として含まれていた。 ^{[ 22 ]}

2020年にKangらは、濃縮培養と希釈培養に基づく戦略を用いて、この元のコンソーシアム（KMCG6）から、種数は少ないが同様のケラチン分解活性を持つ簡略化された微生物コンソーシアム（SMC）を抽出した。 ^{[ 22 ]}土壌サンプルから前濃縮されたケラチン分解性微生物コンソーシアムに対して連続希釈を行った。濃縮された微生物コンソーシアムからSMCライブラリーを構築するために、適切な希釈レジメン（10⁹）を選択した。さらに、^{シーケンス}解析とケラチン分解活性アッセイにより、得られたSMCは、さまざまな分類学的構成と生分解能力とともに、実際に微生物の多様性が低下していることが示された。さらに重要なことに、いくつかのSMCは、最初のコンソーシアムと比較して同等のレベルのケラチン分解効率を有しており、機能と効率を失うことなく簡略化が達成できることを示している。^{[ 22 ]}

右図に示すように、本研究のワークフローは 4 つのステップで構成されます。(1) ケラチンを唯一の炭素源とするケラチン培地での選択により、ケラチン分解活性などの目的特性を濃縮します。このプロセスは、機能評価 (細胞密度、酵素活性、および残留基質の比率) および組成分析によって評価されました。(2) 濃縮された有効微生物コンソーシアムに対して連続希釈を実施しました。希釈率 10 ²から10 ¹⁰まで 6 つの希釈液を24 回の繰り返しで作成しました。希釈液間の非類似性は、機能評価基準に基づくユークリッド距離計算によって評価されました。(3) 繰り返し液間の最適な非類似性を示す希釈液からライブラリーを構築しました。この場合、希釈率 10 ^{9 が}SMC ライブラリーの構築に選択されました。(4) 最も有望な SMC の選択は、機能的および組成的な特性評価に基づいています。^{[ 22 ]}

共生細菌群はヒトによく見られ、代表的な例としては、保護機能と栄養摂取を助ける皮膚共生細菌群と腸内共生細菌群がある。さらに、脳内（以前は無菌と考えられていた）にも細菌が存在することが確認されており、メタゲノム解析の結果、発見された細菌種は腸管由来である可能性が示唆されている。^{[ 33 ] [ 34 ]}発見された細菌種は定着しており、ヒトの健康に明らかな影響はなく、腸管内で共生細菌群を形成することが知られているため、脳内でも共生細菌群を形成している可能性が非常に高い。^{[ 35 ]}