科学者たちは、注目に値する新しい共生形態を発見しました。それは、繊毛虫と呼ばれる単細胞生物の内部に生息し、エネルギーを供給する細菌です。酸素を使用するミトコンドリアとは異なり、微生物は硝酸塩を呼吸することによって宿主にエネルギーを提供します。

最初に発見された内部共生細菌 Candidatus Azoamicusciliaticola とその繊毛虫宿主の図。画像は走査型電子顕微鏡画像（SEM、グレー）と蛍光画像を合成したものです。内部共生生物 (黄色) と餌となる細菌が食物の液胞と大きな核 (青色) に見られます。弱蛍光繊毛虫および繊毛の外部構造もはっきりと見えます。画像クレジット: S.Ahmerkamp/マックス プランク海洋微生物研究所

研究者らは最初に淡水湖でこの微生物を発見し、次にその分布範囲を特定することに着手した。驚いたことに、彼らは湖や地下水、さらには廃水に至るまで、世界中のさまざまな環境でこれらの微生物を発見しました。この発見は、微生物のパートナーシップについての私たちの理解に疑問を投げかけ、これらの小さな生物が世界中の生態系でどのように隠されているが重要な役割を果たしているかを明らかにします。

2021年、ドイツのブレーメンにあるマックス・プランク海洋微生物研究所の科学者たちは、大きな発見をした。それは、ユニークな細菌が単細胞真核生物である繊毛虫に生息し、エネルギーを供給しているというものだ。この共生関係は細胞内でミトコンドリアが果たす役割と似ていますが、大きな違いが 1 つあります。それは、この内部共生細菌は酸素を使用する代わりに、硝酸塩呼吸を通じてエネルギーを生成することです。

これらの珍しい微生物の分布と多様性をより深く理解するために、ブレーメンの研究者たちは研究範囲を拡大しました。現在、ブレーメンの研究者たちは、これらの奇妙な共生生物の環境分布と多様性についてさらに学び始めています。マックス・プランク海洋微生物研究所のヤナ・ミルカ氏は、「淡水湖で初めてこの共生生物を発見した後、これらの生物が自然界にどれだけ一般的であるかを知りたいと思った。それらは非常に珍しいので、長い間発見されなかったのか?それとも他の場所にも存在するのか、もし存在するなら、その代謝能力は何なのか?」と説明する。

それを調べるために、科学者たちは、多数の環境サンプルからの遺伝データを含む大規模な公開配列決定データベースを検索しました。彼らが発見したことは驚くべきことでした。これらの共生生物は約 1,000 の異なるデータセットに出現したのです。 「私たちは、それらがどこにでも存在することに驚きました」とミルカ氏は語った。 「私たちは人間が住んでいるすべての大陸でそれらを見つけることができ、さらに、彼らは湖や他の淡水の生息地だけでなく、地下水や廃水にも生息できることがわかりました。」

科学者たちは、これらのデータセットから元の共生生物だけでなく、いくつかの新しい近縁種も発見しました。 「最終的に4つの新種を同定し、そのうちの2種が実際に新属を形成している」と筆頭著者のダーン・スペスは説明する、「この新属の共生生物は、最初に発見されたアゾアミクス（その名前は「窒素の友人」という意味）と同様の役割を持っていると関連している可能性があり、新属をアゾソシウス（「窒素の友人」）と名付けた。私たちは幸運なことに、ドイツのハイニヒの地下水サンプルでアゾソシウスの新種を発見した。ブレーメンからそれほど遠くないところにあります。」

現在、科学者たちはこれらの新種の生活をさらに深く掘り下げたいと考えています。最初にハイニヒ氏のサンプルを収集したドイツ、フリードリヒ・シラー大学イエナのキルステン・キュセル氏とウィル・オーヴァーホルト氏の協力を得て、科学者らはサンプリング現場にアクセスし、メタトランスクリプトームデータ（サンプル中の遺伝子発現を記述し、微生物の活動を示すデータ）を研究することができた。

スペス博士は続けて、「ここでまた驚くべきことがわかった。これらの呼吸共生生物は新たなトリックをすることができる。嫌気呼吸（つまり脱窒）しかできない元の共生生物種とは異なり、すべての新しい共生生物種は実際に窒素に加えて酸素呼吸を行うことを可能にする末端オキシダーゼ酵素をコードしている。これがなぜ完全または部分的に無酸素の環境でもこれらの共生生物が見つかるのかを説明するかもしれない。」

この結果は現在、Nature Communications誌に掲載されており、共生生物の生物地理学に関する科学者の未解決の疑問に答えている。 「これらの新種の発見のおかげで、私たちは彼らの進化についてもさらに考え始めることができるようになりました」とミルカ氏は言う。 「私たちは、これらの有益な共生生物がどのように始まり、時間の経過とともにどのように進化したのかをよりよく理解したいと考えています。」 」

この研究には生態学的側面もある、とスペス氏は付け加えた。「脱窒を行うことにより、この共生関係はそれぞれの生息地の窒素循環に影響を及ぼし、亜酸化窒素などの温室効果ガスを生成しながら窒素酸化物などの栄養素を除去する可能性がある。」

最後になりましたが、微生物の世界を簡単に理解することです。 「この生き物は自然の奇跡です」とミルカは興奮して言いました。 「原生生物は、原核生物と非常に簡単に関係しているため、多くの場合、このような驚くべき代謝革新を実行できます。私にとって、それは本当に興味深いことです。これらの生物は、真核生物の進化を理解する上でパズルの重要なピースです。」

/ScitechDaily から編集