酸素の代わりに硝酸塩を利用できる共生パートナー：研究者らは、スイスのツーク湖の繊毛虫から、驚くべき方法で宿主にエネルギーを供給する細菌を発見した。内部共生生物は宿主のミトコンドリアの機能を補完し、エネルギーの直接伝達が行われます。科学者らは、これはこれまで知られていなかった共生コミュニティの形態であると述べている。
ギブアンドテイクによるWin-Winのコミュニティ: 進化の過程で、異なる生物間の共生交換のさまざまな形が現れてきました。 「最も親密な」バージョンは、いわゆる内部共生です。これらは、宿主とその中に生息するパートナー (通常は特殊な細菌または藻類) の間のコミュニティです。内部共生生物は、パートナーのためにさまざまな仕事を行うことができます。たとえば、パートナーの食べ物を準備したり、重要な物質を供給したりします。よく知られた例は、サンゴのポリプの中に生息し、光合成によって炭水化物を供給する単細胞藻類です。その見返りに、宿主は小さなパートナーに有利な生活条件を提供します。場合によっては、内部共生生物はもはや独立して生きられなくなります。
素晴らしいチームがツーク湖に住んでいます
マックス・プランク海洋微生物研究所のジョン・グラフ率いる研究者らは、これまで知られていなかった内部共生のバージョンを偶然発見した。彼らは遺伝的手法を用いて、実際にツーク湖の深層にある無酸素水層でメタン細菌を探した。しかし、彼らはメタンを食べる人の痕跡を見つける代わりに、硝酸塩呼吸の代謝経路全体をコードする遺伝子配列を発見した。 「私たちは非常に驚き、最初は考えられる説明を探しました」とグラフ氏は言います。最終的には、そのサイズが小さいため、同定されたゲノムは未知の共生生物に属しているに違いないという理論が残りました。研究者らは特にツーク湖の深海で共生生物と宿主を探した。彼らは、遺伝子マーカーを使用して、繊毛虫に生息する細菌をついに特定しました。これらの宿主は単細胞生物ですが、より高度に発達した生物 (真核生物) に属します。
研究者らが説明しているように、繊毛虫などの真核生物は酸素のない環境での発酵を通じてエネルギーを得ると以前は考えられていた。しかし、発酵はエネルギー的に不利です。微生物はこの代謝経路から比較的少ないエネルギーを引き出すため、多くの場合活動が鈍くなり、成長が遅くなります。 「私たちの繊毛虫は、明らかにこの問題の解決策を見つけました」とグラフ氏は言います。 「硝酸塩を呼吸する能力を持つ細菌を取り込み、それを生体に組み込んだのです。」彼の同僚のヤナ・ミルッカはこう続けます。「このようなコミュニティはまったく新しいものです。この内部共生生物とその宿主は、栄養ではなくエネルギーの直接伝達に基づく、これまで知られていなかった共生の例を表しています。」研究は、細菌が繊毛虫に炭水化物を提供するのではなく、エネルギー源であるATPを直接提供することを示しています。
共生生物は細胞小器官のように機能する
通常、これは真核生物の細胞発電所であるミトコンドリアの機能です。 「私たちの発見は、単細胞真核生物が、ミトコンドリアの機能を補ったり置き換えたりするために、エネルギーを供給する内部共生生物を運んでいる可能性を浮き彫りにしました」とグラフ氏は言う。 「私たちが『Candidatus Azoamicus ciliaticola』と名付けた内部共生生物は、窒素化合物である硝酸塩を呼吸し、それをエネルギー生成に利用することができます。」 「アゾアミクス」という用語もこれを表しており、「窒素に基づいた友情」です。
この発見の興味深い点は、真核生物の進化に関連した、いわゆる内部共生理論との関連性です。ミトコンドリアの発生は内部共生によるものと考えられています。これによると、10億年以上前に古代の微生物が細菌を吸収し、共生が起こり、広範囲に影響を及ぼしました。それが真核細胞の起源でした。内部共生理論によれば、進化の過程で、吸収された細菌はますます細胞に組み込まれるようになり、宿主に有利な性質だけが残るまで自身のゲノムを減少させました。その結果、これらの細菌は最終的に細胞小器官に成長しました。今日に至るまで、ミトコンドリアは依然として独自の小さなゲノムと膜を持っています。 「私たちの共生生物がミトコンドリアと同じ道をたどって、最終的に細胞小器官になる可能性は低くありません」とミルッカ氏は言う。
彼らの発見はさらに刺激的な疑問を引き起こしたため、科学者たちは現在、この問題に留まりたいと考えている。同様のタイプの未発見の共生が多数存在する可能性があり、おそらく内部共生生物が既に境界を越えて細胞小器官になっている共生も存在する可能性があります。研究者らはまた、共生の起源を調査したいと考えている。遺伝的証拠によると、それは2億年から3億年前に出現しました。したがって、約 10,000 年しか存在しなかったアルプスの湖でそれが発達したとは考えられません。研究チームは現在、この謎とその他の謎を追跡中です。
出典: Max Planck Institute for Marine Microbiology、専門記事: Nature、doi: 10.1038/s41586-021-03297-6
