■ 1. 研究成果の概要
- 深海熱水噴出域の電気で増殖する細菌:
- 深海熱水噴出域での放電現象を再現した微生物培養を実験室で実施
- ある種の細菌が電気を唯一のエネルギー源にして二酸化炭素から細胞成分を合成し増殖することを確認
- 電気合成:
- 電気エネルギーを用いて二酸化炭素から有機物を作り出すこと
- 「光合成」の「光」を「電気」に置き換えた語句と解釈すれば理解しやすい
- 深海熱水噴出域:
- 海底下に染み込んだ海水が地熱によって熱せられ、高温の熱水となって噴き出す熱水噴出孔が存在する深海底の海域
- 研究体制:
- JAMSTEC、横浜市立大学、東京大学の共同研究チームによる実証
- 世界規模の分布:
- ゲノムデータベースの解析から、電気合成を行う細菌が世界中の深海熱水噴出域に広く分布していることが示唆された
- 成果の意義:
- 自然界の電気エネルギーを直接的にバイオマス資源に変換できることを示す
- 光や有機物に乏しい環境でも微弱な電気を利用して生命活動を維持できる微生物が存在することを意味する
- ハビタブルゾーンの拡大:
- 生命が生存可能な環境が拡大されることを強く示唆する
- 地球全体の生態系や初期生命誕生の理解を助ける
- 電気を用いた有用物質生産などへの応用も期待される
■ 2. 電気活性微生物の分類
- 電気活性微生物:
- 細胞外の固体物質と直接電子をやり取りできる微生物
- 多様な環境に広く分布し、系統的にも細菌・古細菌・真核生物にまたがる多様性を持つ
- 発電菌と電気栄養性菌:
- 電子の流れの方向により大別される
- 電子を外部へ放出するものが発電菌
- 外部から電子を取り込むものが電気栄養性菌
- 電気栄養性菌のエネルギー変換:
- 細胞外の電子を細胞内膜の呼吸鎖へ供給し生体エネルギーに変換する
- この電気由来の生体エネルギーで二酸化炭素から有機物を合成する場合が電気合成に当たる
- 応用面での注目:
- 電力を直接的にバイオマス生産に利用できる
- 自然エネルギー由来の電力を起点にしたバイオものづくりへの応用が期待される
■ 3. 研究の背景
- 自然環境での未解明性:
- 微生物電気合成に関する研究の多くは人為的に設計された電気化学条件で行われてきた
- 自然環境において微生物電気合成が成立するかはほとんど未解明であった
- 微弱電流の実態把握の難しさ:
- 自然界ではさまざまな環境で微弱な電流が発生していると考えられる
- 電流発生の量や空間の制約により、その実態把握は難しいとされてきた
- 天然の放電場としての深海熱水系:
- 深海熱水噴出域が天然の放電場として機能することをJAMSTECが報告してきた
- 安定的な放電場は電気合成微生物にとって有利な環境と考えられる
- 過去の現場培養での示唆:
- 深海熱水噴出域で行った現場微生物培養において、電気合成細菌と予想される微生物が優占したことを過去に報告
- 放電のメカニズム:
- 熱水中に含まれる硫化水素や水素から放出された電子が、導電性の硫化鉱物岩石を伝って海水側に運搬される
- 化学合成微生物との対比:
- 従来からよく知られる化学合成微生物は、熱水から拡散した硫化水素や水素を直接細胞内に取り込んでエネルギーを取り出す
- 本研究のアプローチ:
- 深海熱水噴出域の放電条件を実験室で模擬的に再現し微生物を培養
- 培養液内の微生物の種類や細胞増殖を観察し、放電環境で電気合成的に生育できる微生物を探索
■ 4. 実験と成果
- 実験系の構築:
- 中部沖縄トラフの深海熱水噴出域から採取した岩石片試料を、人工海水で満たした電気化学リアクター内に設置
- ポテンショスタットで熱水と同等の電位を岩石片に与え、放電量をモニターしながら放電現象を再現
- SREC-4株の優占:
- 岩石片を微生物接種源として培養し微生物叢を解析
- チオミクロラブダス属細菌の1種であるSREC-4株が増殖し、微生物群集の中で高度に優占していることを観察
- 放電源の入れ替え:
- 培養の途中で放電源を岩石片からカーボンフェルトに入れ替えてもSREC-4株の増殖と優占が観察された
- 培養条件の厳密性:
- 培地中に有機物は含まれず、エネルギー源は岩石片またはカーボンフェルトから供給される電気のみ
- 炭素源は培地中に含まれる二酸化炭素のみ
- 二酸化炭素固定の確認:
- SREC-4株が二酸化炭素由来の炭素を細胞内に取り込んで有機物に変換していることを観察
- ゲノム上の裏付け:
- SREC-4株のゲノムに電気合成能力に必要な遺伝子群が保持されていた
- 結論:
- SREC-4株が深海熱水噴出域の放電条件で電気合成的に生育できることが明確に示された
- 分布解析の結果:
- チオミクロラブダス属細菌は海水環境に遍在する
- 電気合成を行えるものは深海熱水噴出域から発見された種に限られ、その海域は世界中の熱水噴出域に及ぶ
- 自然界における放電環境と微生物の電気合成能力が強くリンクしていることを示唆する
■ 5. 今後の展望
- 生命活動を支えるエネルギー源の拡張:
- 自然環境、特に深海熱水噴出域の放電場において微生物が電気を直接利用して生育できることが示された
- 太陽光や有機物だけでなく、自然界に存在する微弱な電気も生命活動を支えるエネルギー源となり得る
- 生命の起源への示唆:
- 深海熱水噴出域は生命起源の有力候補地の一つとして考えられている
- 電気を利用した代謝機構が初期生命の誕生や進化に関与していた可能性を示唆する
- 生命が存在可能な環境の理解にも新たな視点を与えることが期待される
- 未解明の微生物群集:
- 自然環境に形成される微生物群集のうち大部分は未分離であり、その機能も未解明である
- 今後の研究課題:
- 電気活性微生物の電子輸送機構や電気合成微生物の生育特性を明らかにする
- 地球規模の物質循環における電気エネルギー利用の理解が進むと期待される
- 応用展開:
- 電力を利用したバイオものづくりなどの応用展開にもつながる可能性がある
■ 6. 論文情報
- 掲載誌:
- 英国科学誌「The ISME Journal」に6月23日付け（現地時間）で先行記事としてオンライン公開
- 論文タイトル:
- Electrosynthetic bacterial growth under conditions simulating electric discharge in deep-sea hydrothermal fields
- DOI:
- 10.1093/ismejo/wrag108
- 研究助成:
- 科学研究費助成事業（JP22K03801、JP22H05153）によって実施