超好熱性古細菌の特異な性質

この記事では、超好熱性古細菌の特異な性質について論じます。超好熱菌は、70～125  ℃の温度範囲で生存できる生物です。^{[ 1 ]} 1977年にガラパゴス海溝で発見されて以来、集中的な研究の対象となってきました。1997年にピロロブス・フマリが発見される まで、100℃もの高温で生命が存在することは不可能だと考えられていました。P . fumariiは、大西洋中央海嶺沿いのブラックスモーカーの熱水噴出孔に生息する古細菌ドメインの単細胞生物です。これらの生物は、pH 5.5で106℃で生存できます。これらの生物は、環境からエネルギーを得るために通性好気性偏性化学合成独立栄養生物であり、水素（H₂ _）を主要な電子供与体、硝酸塩（NO₃⁻ _）^を主要な電子受容体として、環境から二酸化炭素（CO₂ _）を採取して生体分子を合成します。これらの生物は、高温高圧で生物を死滅させるように設計された装置であるオートクレーブでも生き残ることができます。超好熱菌はこのような高温環境に生息しているため、強い熱エネルギーに耐えるのに役立つDNA、膜、酵素の修飾が必要です。このような修飾は現在、生物やタンパク質がこのような過酷な条件下で生き残ることを可能にする仕組みをよりよく理解するために研究されています。これらの生物がこのような過酷な条件下で生き残ることを可能にする仕組みを解明することで、研究者は変性しにくい産業用分子をより効率的に合成できるようになります。 

2本のDNA鎖は、ヌクレオチド塩基であるアデノシン（A）とチミン（T）、グアニン（G）とシトシン（C）が結合する塩基対形成によって結合している。好熱性古細菌は、GC塩基対形成には3つの水素結合があるのに対し、AT塩基対形成には2つの水素結合しかないため、DNA中のGC含量が高いと予想されている。水素結合の数が増えるとDNAの安定性が高まり、その結果、2本のDNA鎖を分離するために必要なエネルギーが増加する。これにより、通常であればDNA鎖を分離するのに十分な熱エネルギーが得られるような高温下でも、DNAは二本鎖状態を維持することができると考えられる。

P. fumarii は2001 年に Diversa Corporation によって初めて配列決定され、その配列は 2014 年に一般に公開されました。この分析から得られたデータは、GC 含有量が 54.90% であることを示しました。これは、好熱菌が DNA を安定させるために GC 含有量を増やす選択圧を受けているという仮説を裏付けています。しかし、研究はこの仮説を決定的に裏付けていません。Hurst と Merchant (2001) が行った研究では、原核生物の GC 含有量が高いことと最適な生育温度の上昇との間に相関関係がないことが示されました。しかし、彼らの分析では、コドン内の3 番目の核酸の GC 含有量が高いことが示されました。これは、ウォブル位置では、DNA 内の安定性を高めるために水素結合を増やす選択圧がかかっている可能性が高いが、DNA 全体では GC ペアリングに対する選択圧は低いことを示しています。これは、P. fumariiで見られることを裏付けています。DNA の大部分は G と C ヌクレオチドで構成されていますが、DNA には A と T ヌクレオチドも多く含まれています。これらの結果は、ウォブル位置でのGCペアリングの増加に加えて、好熱性古細菌がそのような高温下でDNAを安定化させるための他のメカニズムを持っていることを示唆している可能性が高い。

このような高温下でDNAを安定化させる可能性のあるメカニズムの一つとして、I型トポイソメラーゼなどのタンパク質が挙げられます。このタンパク質はDNAを極度にねじることで、DNAの自然なねじれを解消しにくくします。進化的に遠縁な複数の生物にこのタンパク質が存在することは、このタンパク質がDNAの安定化に役割を果たしているという仮説を裏付けています。

超好熱性古細菌は、相同組換えDNA修復の過程で使用される主要タンパク質の必須要件など、DNA損傷に対処するための特別な戦略を持っている。 ^{[ 2 ]} また、古細菌超好熱菌間ではDNA交換が起こり、この交換は相同組換えによるゲノムDNAの修復に役割を果たしていると考えられ、高温などのDNA損傷条件下では重要なプロセスとなる可能性がある。^{[ 3 ]}

最小の細菌から最大の多細胞真核生物まで、すべての微生物はリン脂質を含む膜を持っています。リン脂質分子は、分子の尾部と呼ばれる長い脂肪酸と、分子の頭部となるリン酸基から構成されています。リン脂質膜は、主に炭化水素からなる脂肪酸尾部の構造が大きく異なります。これらのリン脂質分子は二重層を形成し、極性のあるリン酸基は細胞内外の水溶液に面し、炭化水素は内側を向いて互いに相互作用します。膜はタンパク質とともに、どの分子が細胞に出入りできるかを制御します。そのため、膜は細胞の生存に重要な役割を果たします。膜に欠陥があると、溶質が細胞内に過剰に流入し、細胞死を引き起こす可能性があります。

さまざまな生物は、細胞に出入りする物質を制御するために、それぞれ異なる戦略を考案してきた。細菌や真核細胞はエステル結合を含むリン脂質二重層を持つ一方、古細菌はエーテル結合を持つ。これらのメカニズムは中温環境に生息する生物には非常に有効だが、極限環境生物には有効ではない。中温生物とは、比較的穏やかな温度（20～45  ℃）で生息する生物である。海抜付近に生息し、人間とほぼ同じ温度で生存できる生物である。

極限環境微生物とは、極端に低温、酸性、アルカリ性、または高温の環境で最もよく生育する生物のことです。P . fumariiは超好熱菌であり、この生物が極めて高い温度 (70～125  °C) で最もよく生育することを示しています。P . fumarii は106  °C で最もよく生育します。この古細菌は極めて高い温度にさらされるため、生存するために極めて安定した生体分子を持っていなければなりません。膜の安定性が高まらなければ、細胞は崩壊し、あまりにも多くの分子が膜に出入りし、細胞がエネルギーとして利用する化学勾配を破壊し、細胞が合成したすべてのタンパク質が拡散して失われ、代謝プロセスが停止してしまいます。

この問題に対処するため、古細菌は膜脂質の組成を変化させてきました。リン酸基と長い脂肪酸鎖は依然として含まれていますが、エステル結合の代わりにエーテル結合も含まれています。エーテル結合は、リン酸基と炭化水素間の結合をより安定させます。これは、リン酸基とグリセロール分子をつなぐ炭素がエステル結合の場合よりも電子密度が高くなるため、その炭素の求電子性が低下し、化学反応性が低くなるためです。これにより、エーテル結合したリン脂質はより安定し、大量の熱エネルギーによる分解を受けにくくなります。これが、古細菌がこのような極限環境で生存できる理由の一つです。

古細菌に見られるもう一つの膜適応は、テトラエーテルリン脂質です。この特異的な適応は、P. fumariiをはじめとする超好熱菌で発見されています。テトラエーテルリン脂質は、それぞれ1つのエステル結合と1つのリン酸分子からなる2つの炭化水素鎖を持つ分子です。これらのリン脂質は、ほとんどの細菌やすべての真核生物に見られる典型的な二重層ではなく、単層を形成します。そのため、2つの異なる分子が相互作用するのではなく、1つの分子が膜の幅全体に渡って存在します。単層構造により、膜内に収まる分子の数が少なくなるため、膜内の分子の密度が高くなりますが、これらの大きな分子は膜内で動きにくくなります。これにより膜の流動性が低下し、細胞はより多くの分子が膜を通過するのを防ぐことができます。このような高温では、分子は中温よりも速く移動するため、これは非常に重要な適応です。膜の流動性を低下させることで、細胞はリン脂質分子の動きを抑制し、膜を横切る不要な分子の移動を防ぐことができます。

古細菌が溶質の流入と流出を制御するために用いる、もう一つの極めて重要な膜調節機構は、エステル結合リン脂質の炭化水素鎖にシクロペンタン環を付加することです。これらの環が膜に付加されることで、膜分子のパッキングがさらに密になります。これらのシクロペンタン環は、テトラエーテル脂質またはジエーテル脂質に存在します。膜の中央にある原子の数を増やすことで、溶質が細胞に出入りできる空間が少なくなります。これは、細胞に出入りする溶質の量を制御するのに役立ちます。シクロペンタン環は膜の内部構造を密集させ、溶質が膜を通過して細胞の反対側へ移動することをより困難にします。これは細胞にとって非常に重要です。なぜなら、超好熱性条件下では、溶質は非常に速く移動し、環境から多くの熱エネルギーを運び去るからです。もし細胞にこれらの環がなければ、不要な分子が多すぎるほど膜を通過して細胞に出入りしてしまうでしょう。これは代謝プロセスの減速または完全な停止を引き起こし、細胞死につながる。

これらのシクロペンタン環は、不要な溶質が細胞に出入りするのを防ぐのに非常に役立ちますが、すべての古細菌がこれらを使用しているわけではありません。低温環境（-15℃以下）で生存する好冷性古細菌に も見られます。これは直感に反するように思えます。なぜなら、シクロペンタン分子は細胞膜をより硬くする働きがあり、これは自然に起こる現象だからです。これらの環が温度スペクトルの両端で見られる理由は不明ですが、分子の細胞への出入りを単に遅らせる以外の機能も果たしていることは明らかです。

P. fumariiのような生物は過酷な環境に生息しているため、これらの古細菌は環境からエネルギーを収集し、熱ストレスから身を守るための特殊な方法を考案する必要がありました。P . fumarii は植物と同様に、環境から CO ₂を採取して生体分子を構築できますが、植物とは異なり、H ₂ OではなくH ₂から電子を受け取り、それらの電子を NO ₃ ⁻、 SO ₄ ²⁻または O ₂に伝達します。この種の代謝プロセスは化学無機栄養性に分類され、炭素は無機物源から得られ、最終電子受容体は O ₂ではなく、食物を自ら生産および消費します。

超好熱菌がタンパク質の適切な機能を確保するもう一つの方法は、熱ショックタンパク質（HSP）を利用することです。これらのHSPは極限環境微生物に特有のものではありませんが、超好熱菌に見られるHSPは同種のHSPの中で最も安定性が高いため、研究対象として非常に重要です。HSPは、超好熱菌の最適な生育温度を超えても、その寿命を延ばすことができます。これらのタンパク質を研究することで、タンパク質が他のタンパク質を安定化させるメカニズムを解明できる可能性があり、これは新しい分子の生合成に役立つかもしれません。HSPはシャペロンタンパク質として働き、酵素タンパク質がそのような高温下で単独では維持できないほど長く適切な立体構造を維持するのを助けます。これは、P. fumariiが、長らく生命が存在するには高温すぎると考えられていた温度でも生存できる理由の一つです。

_{生体分子を構築するためにCO₂}を収穫する最も一般的な生物は、植物と光合成細菌です。これらの生物は、炭素固定にカルビン回路を使用します。しかし、P. fumariiやその他の類似の生物は、植物や光合成細菌が耐えられる温度をはるかに超える温度で、わずかに異なるメカニズムで_CO₂を収穫できる特殊な酵素を持っています。これらの極限環境生物が使用する代替経路は、rTCAサイクル、3-HPサイクル、3-HP/4-HPサイクル、またはDC/4-HPサイクルです。これらを使用する細菌や古細菌は、初期の地球環境を模倣した環境に生息しているため、これらは最初に進化した経路のいくつかであると考えられます。したがって、これらは最初に進化した炭素固定経路のいくつかであると考えられます。rTCAサイクルは通常、20～90 ℃の温度で生息する生物に見られますが、90℃を超える温度で生息する生物は、ほとんどの場合DC/4-HPサイクルを使用します。 3-HP/4-HPサイクルは、スルフォロバレス目に属する好熱好酸性菌によって最も頻繁に利用される。  

rTCAサイクル、3-HPサイクル、および3-HP/4-HPサイクルは、いずれも特定の極限環境微生物にとって非常に重要ですが、P. fumariiが利用するのはDC/4-HPサイクルです。そのため、本稿ではDC/4-HPサイクルについてさらに詳しく解説し、関連するリンクとともに、2つの代替炭素固定サイクルに関する情報も掲載します。

DC/4-HPサイクルは、rTCAサイクルと3-HP/4-HPサイクルの4-HP部分を組み合わせたものです。DC/4-HPサイクルと3-HP/4-HPサイクルはどちらもアセトアセチルCoAから始まります。アセトアセチルCoAは2つのアセチルCoA基を持つ分子であり、この経路は1つの開始分子だけで2回実行されます。アセチルCoAはピルビン酸、そしてPEPに変換されます。DC/4-HPサイクルはrTCAサイクルに続き、PEPをオキサロ酢酸、リンゴ酸、フマル酸、そしてコハク酸に変換します。コハク酸が生成されると、この経路は3-HP/4-HP経路と同じステップをたどります。最終的な結果はアセトアセチルCoAの再生であり、これによりプロセスが再び開始されます。この経路に特有の酵素は、ピルビン酸シンターゼ、ピルビン酸：水ジキナーゼ、およびPEPカルボキシラーゼのみです。 DC/4-HP経路の多くのステップは他の経路にも見られるため、DC/4-HP経路に特有の酵素はごくわずかしかなく、この経路の存在を長期間特定することが困難でした。この経路は、わずか数年前にP. fumariiで発見されました。DC/4-HPサイクルは、オキサロ酢酸をスクシニルCoAに変換するために同じ酵素を使用し、コハク酸が生成された後も、3-HP/4-HP経路と同じ酵素をすべて使用します。

超好熱性生物に関連する分子として特定されているものの一つに、ジミオイノシトールリン酸（DIP）がある。イノシトールやこの分子の他のリン酸誘導体は、真核細胞で二次メッセンジャーとしてよく使われる糖である。しかし、DIPは好熱性細胞でのみ発見されており、細胞内でのその用途はほとんど不明である。この糖の誘導体であるUDP-α-GlcNAc3NAc-(4←1)-β-GlcpNAc3NAcは、P. fumariiでのみ発見されている。この糖の機能は不明であるが、この糖のリン酸化型は、 S層の形成に関与することが知られている糖であるUDP-α-Glc-NAc3NAcと共存して発見されている。これらのUDP糖は、細胞が最適以上の生育条件にある場合にのみ見られる。これは、これらの糖がグラム陽性細菌を保護するS層の形成を可能にする細胞内の構成要素であることを示唆している。 S層との関連性は極めて重要である。なぜなら、S層は超好熱環境に伴う熱ストレスから細胞を保護するために利用されていると考えられているからである。また、S層は分子の細胞内外への出入りを遅らせる役割も担っていると考えられている。これらの結果は決定的なものではないものの、長年謎に包まれていたS層の形成メカニズムの解明に役立つものである。