メタン生成微生物は硫酸塩で増殖するために代謝経路を再構築する

Jan 27, 2024

マリオン・ジェスペルセンは、M.サーモリソトロフィカスが硫黄源として硫酸塩のみで増殖する発酵槽に取り組んでいます。[トリスタン・ワグナー/マックス・プランク海洋微生物研究所]

植物や藻類が硫黄を取得するプロセス（硫酸塩を硫化物に変換する）には、多量のエネルギーが必要であり、すぐに変換する必要がある有害な中間体や副産物が生成されます。 このため、通常エネルギーが不足しているメタン生成菌は硫酸塩を硫化物に変換することができず、他の形態の硫黄に依存する必要があるという仮説が立てられています。 しかし、メタン生成菌 Methanothermococcus Thermolithotrophicus が唯一の硫黄源である硫酸塩で増殖するという（数十年前の）発見により、これに疑問が生じました。

現在、新たな研究により、エネルギーコストと有毒な中間体を考慮して、M. サーモリソトロフィカスがどのようにこれを行うのか、また、なぜこの能力を持つ既知の唯一のメタン生成菌であるのかが明らかになりました。

この研究は、「海洋メタン生成菌 Methanothermococcus Thermolithotrophicus における同化性硫酸還元」という論文として Nature Microbiology に掲載されています。

マックス・プランク海洋微生物研究所の大学院生、マリオン・ジェスペルセン氏は、「博士課程を始めるとき、M.サーモリソトロフィカスに硫化物の代わりに硫酸塩を食べるよう本当に説得する必要があった」と語った。 「しかし、培地を最適化した後、メタノサーモコッカスは硫酸塩上での増殖が得意になり、細胞密​​度は硫化物上で増殖した場合と同等になりました。」

硫酸同化の分子機構を理解するために、科学者らは、この細菌のゲノム内で硫酸還元関連酵素をコードする可能性のある5つの遺伝子を特定した。

酵素を特徴づけることにより、科学者らはメタン生成菌からの最初の硫酸塩同化経路を構築した。 この経路の最初の 2 つの酵素はよく知られており、多くの微生物や植物に存在しますが、その後の酵素は新しいものでした。

「私たちは、M.サーモリソトロフィカスが異化性硫酸塩還元生物から1つの酵素を乗っ取って、それ自身のニーズを満たすためにわずかに改変したかのように見えることを見て唖然としました」とジェスペルセン氏は語った。

一部の微生物は細胞の構成要素として硫酸塩を同化しますが、他の微生物は人間が酸素を呼吸するときに行うように、異化プロセスでエネルギーを得るために硫酸塩を使用します。 異化的硫酸還元を実行する微生物は、異なる一連の酵素を使用して異化的硫酸還元を実行します。 ここで研究されたメタン生成菌は、これらの異化酵素の 1 つを同化酵素に変換しました。

「シンプルだが非常に効果的な戦略であり、おそらくこのメタン生成菌が硫酸塩上で増殖できる理由である。これまでのところ、この特定の酵素はM.サーモリソトロフィカスでのみ発見されており、他のメタン生成菌は見つかっていない」とジェスパーセン氏は説明した。

この経路の最後の 2 つの酵素は、硫酸塩の同化中に生成される 2 つの毒に対処するように作られています。 1 つ目は異化酵素と同様に、亜硫酸塩から硫化物を生成します。 2 つ目は、他の毒を加水分解する強力な効率を備えた新しいタイプのホスファターゼです。

「M.サーモリソトロフィカスは、硫酸塩での増殖を可能にする微生物環境から遺伝情報を収集したようです。同化酵素と異化酵素を混合して適合させることにより、独自の機能的な硫酸塩還元機構を作り出しました」と、同研究室長のトリスタン・ワグナー博士は述べた。マックス・プランク研究グループの微生物代謝。

M. サーモリソトロフィカスなどの水素栄養性メタン生成菌は、二水素と二酸化炭素をメタンに変換する能力を持っています。 言い換えれば、温室効果ガス CO2 をバイオ燃料 CH4 に変換し、それを例えば家庭の暖房に使用できるということです。

これを行うために、メタン生成菌は大型バイオリアクターで培養されます。 メタン生成菌の培養における現在のボトルネックは、硫黄源として危険性が高く爆発性の高い硫化水素ガスを必要とすることである。 M. サーモリソトロフィカスにおける硫酸同化経路の発見により、バイオテクノロジーですでに使用されているメタン生成菌を遺伝子操作して、代わりにこの経路を使用することが可能となり、より安全で費用対効果の高いバイオガス生産につながります。

「未解決の疑問は、なぜM.サーモリソトロフィカスが自然界で硫酸塩を同化するのかということである。そのためには、私たちは現場に出かけて、この経路に必要な酵素が微生物の自然環境でも発現しているかどうかを確認する必要があるだろう」と結論づけた。ワーグナー。

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