生命誕生に迫る始原的代謝系の発見

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~多元的オミクス研究による新奇TCA回路の証明~

平成30年2月2日(金)
国立研究開発法人海洋研究開発機構
国立大学法人海洋研究開発機構
国立大学法人京都大学
独立行政法人製品評価技術基盤機構バイオテクノロジーセンター

 国立研究開発法人海洋研究開発機構(理事長 平 朝彦、以下「JAMSTEC」という)海洋生命理工学研究開発センターの布浦拓郎主任研究員らは、北海道大学(総長 名和 豊春)、京都大学(総長 山極 壽一)、製品評価技術基盤機構(理事長 辰巳 敬、以下「NITE」という)と共同で、南部沖縄トラフの熱水活動域から採取した試料より単離した細菌が、アミノ酸など生命に必須の化合物の生合成に不可欠なTCA回路(tricarboxylic acid 回路:クエン酸回路)の中でも、最も始原的な形態の回路を有することを発見しました。
多くの生物にとりTCA回路は生存に必須の代謝機構であり、その起源は生命の共通祖先の誕生、更には化学進化の時代にまで遡る「最も始原的な基幹代謝のひとつ」と考えられています。TCA回路にはいくつかの形態が存在し、生命誕生前後の始原的なTCA回路の姿については様々な議論があります。

今回、布浦主任研究員らの研究グループは、始原的バクテリア系統に属する好熱性水素酸化硫黄還元細菌Thermosulfidibacter takaii(以下「Thermosulfidibacter」という)が最も始原的な形態のTCA回路を持つことを示しました。本研究における多元的オミクス解析(※1)の結果、Thermosulfidibacterが独立栄養(※2)または混合栄養(※3)条件でも、全く同じ酵素群を用い、利用できる炭素源に応じて回路の反応方向を柔軟に変化させる、可逆的なTCA回路を保持していることが明らかになりました。これまで全く同じ酵素群を用いたTCA回路で独立栄養と従属栄養の両方の機能を使い分ける生物は見つかっていませんでした。Thermosulfidibacterで観察された新奇TCA回路はダイナミックに変動する環境条件に適応して反応の向きを切り替えるという、最も祖先型のTCA回路が備えていたであろう特性を示していると考えられます。

初期生命の形態は、独立栄養であったのか、あるいは従属栄養であったのか、永い議論が続いています。今回示した、この始原的な新奇TCA回路の特性は、「初期生命が原始地球の生命誕生の場において、利用可能な物質の存在量に応じて、柔軟に代謝を変化させる混合栄養生命として誕生した」可能性を強く示しています。

本研究の一部は、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業(CREST)の助成を受けて実施されました。 本成果は、米国科学誌「SCIENCE」に2月2日付け(日本時間)で掲載される予定です。

タイトル:A primordial and reversible TCA cycle in a facultatively chemolithoautotrophic thermophile
著者名:布浦拓郎1 力石嘉人1,2,3 井崎力久4 諏訪貴士 4 佐藤喬章4 原田健史5 森浩二5 加藤裕美子5 宮崎征行1,6 島村繁6 柳川勝紀6† 首藤彩1 大河内直彦2 藤田信之5‡ 高木善弘1,6 跡見晴幸4,7 高井研6
所属:1.国立研究開発法人海洋研究開発機構 海洋生命理工学研究開発センター、2. 国立研究開発法人海洋研究開発機構 生物地球化学研究分野、3.北海道大学 低温科学研究所、4.京都大学大学院工学研究科、5.独立行政法人製品評価技術基盤機構、6. 国立研究開発法人海洋研究開発機構深海・地殻内生物圏研究分野、7. 国立研究開発法人科学技術振興機構 CREST
現所属 †北九州市立大学 ‡東京農業大学

  1.  多元的オミクス研究
    ゲノミクス(遺伝子:DNA)、トランスクリプトミクス(遺伝子:RNA)プロテオミクス(蛋白質)、メタボロミクス(代謝物)等を包括して解析・解明する研究のこと。
  2.  独立栄養
    本発表においては化学合成独立栄養を意味する。Thermosulfidibacterの場合は、水素の還元的化合物を電子供与体として、エネルギーを獲得し、そのエネルギーを利用して無機炭素からの有機物合成を行う。
  3.  混合栄養
    Thermosulfidibacterにおいては、水素を電子供与体として利用することが増殖に不可欠である。水素を電子供与体として、エネルギーを獲得する一方、取り込んだ有機物を主要な炭素源とする。また、増殖条件により、有機物と無機炭素を共に炭素源として併用する。

発表資料
報道発表資料  【PDF : 1MB】

お問い合わせ
独立行政法人製品評価技術基盤機構 バイオテクノロジーセンター  計画課

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