【研究領域課題番号】19H03310 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

鉄酸化微生物 / 鉄還元微生物 / ナノ鉱物 / バイオミネラリゼーション / 微生物ダークマター / 鉄酸化菌 / 鉄還元菌 / バイオミネラル / メタゲノム / 分離培養 / 微生物

【研究成果の概要】

本研究では、「多種多様な未培養微生物が酸化鉄ナノ鉱物の生成・溶解を駆動し、地球表層環境における様々な元素の挙動・循環を支配している」という作業仮説の検証を通じて、それらの未培養微生物を分離培養により同定し、地球表層環境における「酸化鉄ナノ鉱物の生成・溶解プロセスの実態」と「微生物－酸化鉄ナノ鉱物－多元素の相互作用」を解明することを目的とした。本研究によって得られる成果は、自然界の元素循環に対する新たな視点を提示するものであり、さらには資源枯渇や環境汚染問題解決へ向けた応用バイオ技術の飛躍的な発展に貢献する可能性を秘めている。
2021年度は、本計画で得た中性pH付近で単独で鉄酸化および鉄還元によって増殖できるMIZ03株について追加の性状実験を行い、これをまとめた論文がMicrobiology Spectrum誌に受理された。MIZ03株には暫定的にRhodoferax lithotrophicusと名付けた。本成果については、学会やシンポジウムでの発表、プレスリリース、さらには解説文をウェブにて公開した。また、本計画で分離培養した、中性pH付近で鉄酸化によりエネルギーを獲得する微好気性バクテリアの分離株MIZ01株について、全ゲノム決定および系統解析、さらには形態・性状解析を実施した。得られた結果に基づいて、MIZ01株にSideroxyarcus emersoniiと名付け、新属新種としてIJSEM誌にて誌上発表した。新たなモデル地として、国内温泉地の堆積物試料を対象として、PacBioロングリードメタゲノム解析を実施し、鉄還元をすると推定される新規バクテリアの存在を示唆した。本成果は国内学会にて発表した。以上、上記の仮説検証に必要な知見を着実に積み重ねている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【研究分野】森林圏科学、水圏応用科学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K19282 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アコヤガイ / 真珠 / ゲノム編集 / 遺伝子導入 / バイオミネラル / Pinctada fucata / バイオミネラリゼーション / ゲノム改変 / トランスジェニック / 外套膜上皮細胞

【研究成果の概要】

代表的な真珠貝として知られるアコヤガイについて、真珠形成を行う細胞である外套膜上面上皮細胞のゲノムを人為的に改変する手法の確立を試みた。外套膜組織片やそこから分離した上面上皮細胞に対し、アコヤガイと異なる生物の遺伝子を導入をした結果、そうした外来遺伝子がアコヤガイの一部の細胞で発現することを確認した。また、任意の遺伝子に変異を誘導するゲノム編集技術であるCRISPR/Casを使い、アコヤガイのゲノム編集を試みた。これについては、ある一つの遺伝子について変異の導入を検出したが、検出過程でのエラーの可能性を排除できないため、さらに検証する必要がある。

【研究の社会的意義】

養殖真珠産生にも散られるアコヤガイは、産業上重要種であるが、バイオミネラル研究のモデルとしても長い歴史を持つ。本研究では、アコヤガイを対象に、遺伝子導入やゲノム編集によるゲノム改変を真珠形成組織である外套膜細胞に施し、一定の成果を得た。アコヤガイの真珠形成関連遺伝子は数多く見つかっているが、それらの機能は不明なものが多く、アコヤガイにおける遺伝子導入や改変技術は、そうした遺伝子の機能解析を行うための技術基盤として重要である。また、遺伝子改変を行った外套膜細胞を用いて、アコヤガイをバイオリアクターとした新規バイオミネラル作出技術の確立にもつながることが期待される。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2019-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】生物有機化学

【研究領域課題番号】25850078 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオミネラル / 炭酸カルシウム / アコヤガイ / モノアラガイ / 酸性ペプチド / キチナーゼ / バイオミネラリゼーション / アラゴナイト / 靱帯 / LICP / TIMP / ペプチド / 結晶欠陥 / 真珠層 / 稜柱層 / カルサイト / 靭帯 / 石灰化

【研究成果の概要】

軟体動物の貝殻はバイオミネラルの一種であり、炭酸カルシウムと少量の有機基質から構成され、様々な微細構造を形成する。私達はアコヤガイの蝶番部に存在する靭帯から新規の酸性ペプチドLICPを明らかにした。私達はLICPがアラゴナイト結晶のc軸方向の成長を止め、繊維状のアラゴナイト結晶の形成に関与することを明らかにした。また、モノアラガイの貝殻抽出液にキチナーゼ活性を見出し、キチナーゼが貝殻の再構成に関与する可能性を見出した。本研究において、私達は軟体動物の貝殻微細構造の形成に重要ないくつかの有機基質の機能を明らかにすることができた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】16740300 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ結晶 / バイオミネラリゼーション / 電子伝達酵素 / 酸化還元 / 嫌気性細菌 / チトクロムc3 / バクテリア / ナノ粒子 / バイオミネラル / 硫酸還元バクテリア / Desulfovibrio vulgaris / 硫化鉄鉱物 / ナノスケール / グレイジャイト / 磁性鉱物 / 硫黄還元

【研究成果の概要】

初年度、透過型電子顕微鏡と磁性測定を用いた硫化鉄および酸化鉄のナノ結晶の解析法を確立した。また、生物由来の硫化鉄鉱物を人工的な変質を起こさずに電子顕微鏡用の試料を作成する事に成功した。嫌気性微生物のDesulfovibrio vulgarisが生成する結晶と無機的な反応で生成する結晶とを比較し、粒径が大きく結晶形態の異なる硫化鉄ナノ粒子を生成する事が明らかにした。次年度はDesulfovibrio vulgaris細胞を可溶と不溶画分に分け、細胞中のどの成分が硫化鉄の結晶形態の制御に関与するか調べた。その結果、どちらの画分を用いて実験した場合も細胞全体と同様の結晶は形成されなかった。このことから、不溶画分中の電子伝達酵素が還元反応により結晶の飽和度を高める作用、およびグラム陰性細胞特有の細胞膜構造中の結晶の核形成と結晶成長を制御する作用の両方が必要であると推察された。次年度はこの他に、三価鉄及び元素状硫黄を還元するチトクロムc3について、不溶画分から液体クロマトグラフィー法を用いて精製に成功した。さらに、in vitroでの活性も分光法を用いて確認する事ができた。しかし、提案書に記載されている水素を酸化するヒドロゲナーゼは酸素に触れた影響か精製後のin vitroでの活性を確認できなかった。嫌気的条件下でヒドロゲナーゼを精製する必要性があると判断されるが、研究設備が不十分であるため、ヒドロゲナーゼの精製は断念した。最終年度は精製したチトクロムc3を用いたナノ結晶生成実験を行った。硫化鉄は細胞全体で見られた形態とは異なるナノ結晶がチトクロムc3を含む反応溶液中では生成された。再度、微生物の代謝活動と細胞構造全体が硫化鉄の結晶化を制御している事が強く示唆された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)