進化すること 啓示的な関係
2019年12月27日（金
進化すること 啓示的な関係
https://phys.org/news/2019-12-evolution-revelatory-relationship.html
by ルートヴィヒ・マキシミリアン大学ミュンヘン校
海底から堆積物コアを回収するために使用されるリグを展開するクレーン。出典はこちら W. Orsi
ミュンヘンのルートヴィヒ・マキシミリアン大学（LMU）の科学者たちが、謎めいた新規単細胞生物群の生態について新たに行った研究は、最初の有核細胞である真核生物の進化において水素が重要な役割を果たしたという考えを裏付けるものであった。
生物進化の歴史の中で最も重要な出来事のひとつは、約20億年前に最初の真核生物-明確な核をもつ単細胞生物-が出現したことである。この最初の真核生物の系統は、その後、植物や動物を含むすべての高等生物を生み出すことになるが、その起源はいまだ不明である。数年前、微生物学者が海底堆積物のDNA配列を解析し、この問題に新たな光を当てた。この堆積物は、北極海の大西洋中央海嶺にある「ロキの城」（北欧神話の火の神にちなんで名付けられた）と呼ばれる場所の熱水噴出孔から回収されたものである。そのDNA分子の塩基配列を決定したところ、これまで知られていなかった微生物群に由来するものであることが判明した。
DNAの起源となった細胞は直接分離して調べることはできなかったが、配列データから古細菌に近いことが判明した。研究チームはこの新グループを「ロキアルカイオータ」と命名した。
古細菌は細菌とともに、単細胞生物としては最も古い系統であることが知られている。また、ロキアルカエオタが、真核生物にしかない構造的・生化学的特徴を示す可能性があることも明らかになった。このことは、ロキアルキア生物が真核生物の最後の共通祖先と関係がある可能性を示唆している。実際、ロキの城から採取したロキアルカエオータのDNAの系統樹解析は、彼らが真核生物と古細菌の最後の共通祖先の1つの子孫に由来することを強く示唆するものであった。
LMU地球環境科学科のウィリアム・オルシ教授は、オルデンブルク大学およびマックス・プランク海洋微生物学研究所の科学者と協力して、今回、ロキアルカイオータの活動や代謝を直接調べることができた。この結果は、ロキアキアカオタと真核生物の関係を裏付けるものであり、最初の真核生物が進化した環境がどのようなものであったかを知る手がかりとなるものです。この研究成果は、『Nature Microbiology』誌に掲載されました。
真核生物の出現は、宿主が古細菌、共生者が細菌という共生関係から生じたという説が有力である。この説によると、共生した細菌は、その後、真核細胞のエネルギー生産を担う細胞内小器官であるミトコンドリアを誕生させたという。一方、古細菌の代謝は水素に依存しており、ミトコンドリアの前駆体は水素を生産していたとする仮説もある。
この「水素仮説」では、2つの細胞は水素が豊富に存在する無酸素環境で生活していたと推定され、もし水素源から切り離されたら、生存のために互いに依存するようになり、共生に至った可能性があるとしている。「もし、ロキアルカオタが、この推定されるウル・アルカイオンの子孫として、同じく水素に依存しているとすれば、これは水素仮説を支持することになるでしょう」とオルシは言う。「しかし、これまで、これらのアーキアの自然環境における生態は推測の域を出ませんでした」。
オルシと彼のチームは、今回初めて、ナミビア沿岸の広範な酸素欠乏地域の海底から採取した堆積物コアから回収したロキアルキア菌の細胞代謝を特徴付けることに成功したのです。これは、これらのサンプルに含まれるRNAを分析することによって行われた。RNA分子はゲノムDNAからコピーされ、タンパク質合成のための設計図となる。そのため、RNAの配列は遺伝子活動のパターンとレベルを反映している。配列解析の結果、これらの試料に含まれるロキアキアカオタが、バクテリアの100倍から1000倍も多いことが判明した。
「このことは、これらの堆積物がロキアルカオタにとって好ましい生息地であり、その活動を促進していることを強く示しています」とオルシは言う。オルシ教授らは、堆積物サンプルに含まれるロキアキアカオタから、実験室で濃縮培養を行うことができた。その結果、安定炭素同位体をマーカーとして、これらの細胞の代謝を研究することが可能になった。
その結果、この微生物は複雑な代謝経路のネットワークを利用していることが明らかになった。さらに、ロキアルキア菌が二酸化炭素の固定に水素を利用していることも確認された。このプロセスにより代謝効率が向上し、無酸素状態の自然環境にもかかわらず、高いレベルの生化学的活性を維持することが可能になりました。「私たちの実験結果は、最初の真核細胞は水素であったという仮説を立証するものです」とオルシは言う。「その結果、最古の真核生物は、現代のロキアカオタが特に活発に活動しているような、酸素が欠乏し水素が豊富な海底堆積物で誕生した可能性があります"。
より詳しい情報はこちら。William D. Orsi et al, Metabolic activity analyses demonstrate that Lokiarchaeon exhibits homoacetogenesis in sulfidic marine sediments（代謝活性分析がロキアカオンは硫化海洋堆積物においてホモアセトジェネシスを示す）, Nature Microbiology (2019). DOI: 10.1038/s41564-019-0630-3
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提供：ルートヴィヒ・マキシミリアン大学ミュンヘン校
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