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Nov 06, 2023

メタンを生成しながら窒素で増殖できる「熱い」微生物についての洞察

22 novembre 2022

2022年11月22日

マックス・プランク協会著

マックス・プランク海洋微生物研究所の科学者たちは、メタン（CH4）とアンモニア（NH3）を生成しながら窒素（N2）を固定できる微生物の培養を強化することに成功し、その代謝の興味深い詳細を調査した。

炭素と窒素は生命の必須元素です。 一部の生物は、この両方の循環において重要な役割を果たしています。その中には Methanothermococcus Thermolithotrophicus も含まれます。 複雑な名前の裏には複雑な微生物が隠されています。 M. サーモリソトロフィカスは、海洋の熱を好むメタン生成菌です。

砂浜や塩性湿地から深海までの海洋堆積物中に、できれば65℃程度の温度で生息しています。 水素（H2）を使って窒素（N2）と二酸化炭素（CO2）をアンモニア（NH3）とメタン（CH4）に変えることができます。 アンモニアとメタンの両方の生成物は、肥料やバイオ燃料の生産におけるバイオテクノロジーの応用にとって非常に興味深いものです。

マックス・プランク海洋微生物研究所のトリスタン・ワグナーとネヴェナ・マスラックは、この微生物を発酵槽で増殖させることに成功した。これは困難な試みである。

「高温、無酸素、水素と二酸化炭素のレベルに注意しながら、窒素を固定しながらこの微生物が繁殖する完璧な条件を提供するのは非常に複雑です」と、博士課程の一環として研究を行ったマスラック教授は言う。 D. プロジェクト。 「しかし、創意工夫と忍耐のおかげで、私たちは研究室でそれらを繁殖させ、これまで報告されている最高の細胞密度に達することができました。」

培養が開始され、実行されると、科学者たちは微生物の生理機能を詳細に調査することができ、その後、微生物の代謝がどのように N2 固定に適応するかを調べることで研究を深めました。 「同僚のチャンドニー・シドゥ氏とハンノ・ティーリング氏と緊密に協力して、生理学的検査と示差トランスクリプトミクスを組み合わせた結果、M.サーモリソトロフィカスの代謝をより深く掘り下げることができました」とマスラック氏は説明する。

M. サーモリソトロフィカスの代謝能力は不可解です。これらの微生物は、細胞エネルギーを獲得するために、初期の無酸素地球で始まった代謝であるメタン生成を利用します。 酸素を使用してグルコースを二酸化炭素に変換する人間と比較して、メタン生成菌はメタン生成から非常に限られた量のエネルギーしか得られません。 逆説的ですが、窒素の固定には膨大なエネルギーが必要となり、窒素を疲弊させてしまいます。

「彼らはマルハナバチに少し似ています。理論的には重すぎて飛べないのですが、それでも飛べるのは明らかです」とマックス・プランク研究グループ微生物代謝グループリーダーの上級著者トリスタン・ワグナーは言う。 「このようなエネルギー制限にもかかわらず、これらの魅力的な微生物は、環境によっては主要な窒素固定剤であることさえ判明しています。」

生物が窒素を固定するために使用する酵素はニトロゲナーゼと呼ばれます。 最も一般的なニトロゲナーゼは、反応を実行するためにモリブデンを必要とします。 モリブデンニトロゲナーゼは、植物の根に共生生物として生息する細菌についてよく研究されています。 それらのニトロゲナーゼはタングステン酸塩によって阻害される可能性があります。

驚くべきことに、ブレーメンの科学者らは、M. サーモリソトロフィカスが N2 上で生育している間、タングステン酸塩によって妨害されないことを発見しました。 「私たちの微生物は、N2を固定するためにモリブデンのみに依存しており、タングステン酸塩には悩まされませんでした。これは、金属獲得システムの適応を意味し、さまざまな潜在的な用途に対してさらに堅牢になっています」とマスラック氏は言います。

窒素固定、つまり N2 から窒素を獲得することは、生物学的サイクルに窒素を挿入する主要なプロセスです。 工業用肥料の生産では、このプロセスはハーバー・ボッシュプロセスによって実行されます。このプロセスでは窒素を人工的に固定し、高温高圧下で水素を用いてアンモニアを生成します。 これは、世界の農業を維持するために不可欠な肥料であるアンモニアのほとんどを生産するために使用されています。

ハーバー・ボッシュ プロセスは非常にエネルギーを必要とします。世界のエネルギー生産量の 2% を消費し、同時に世界の炭素排出量の最大 1.4% を放出します。 したがって、人々はアンモニアを生成するためのより持続可能な代替手段を探しています。

「M.サーモリソトロフィカスが使用したプロセスは、微生物の世界にはアンモニアのより効率的な生産を可能にする解決策がまだ存在し、それらをメタンによるバイオ燃料生産と組み合わせることができることを示しています」とワグナー氏は言う。

「この研究により、N2固定条件下では、メタン生成菌がタンパク質の生産を犠牲にして、エネルギー再配分の特に賢明な戦略である窒素捕捉を有利に進めることがわかった」とワグナー氏は要約する。 「私たちの次のステップは、プロセスと関与する酵素の分子詳細に進み、生物の代謝の他の部分を調べることです。」

この研究はmBioに掲載されました。

詳しくは： Nevena Maslać et al、Comparative Transcriptomics Sheds Light on Remodeling of Gene Expression while Diazotrophy in the Thermophilic Methanogen Methanothermococcus Thermolithotrophicus、mBio (2022)。 DOI: 10.1128/mbio.02443-22

雑誌情報:mBio

マックス・プランク協会提供