🧬 生物学

Bioprospecting cultivable microorganisms from the Pantanal reveals taxonomic and functional enzymatic diversity

本研究はパンタナール湿地から培養可能な細菌、真菌、および酵母をバイオプロスペクティングし、顕著な分類学的および機能的酵素多様性を明らかにするとともに、バイオテクノロジーへの応用可能性を持つ新規の細菌系統を特定した。

原著者： Maria L. L. Motta, Gisele M. Martins, Bruno C. S. Coelho, Karenn G. F. Bastos, Diego C. Vasconcelos, Leandro Conceição, Layssa A. Okamura, Desireé S. Silva, Jéssica C. Medina-Gallardo, Kamila S. Gomes

公開日 2026-10-21

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CC BY 4.0

原著者： Maria L. L. Motta, Gisele M. Martins, Bruno C. S. Coelho, Karenn G. F. Bastos, Diego C. Vasconcelos, Leandro Conceição, Layssa A. Okamura, Desireé S. Silva, Jéssica C. Medina-Gallardo, Kamila S. Gomes

原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ⚕️ これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。免責事項の全文を読む

パンタナールは、南米の中心部に位置する、水と陸地が絶えず入れ替わる広大で変化に富んだ湿地帯です。雨季には広大な領域が冠水して河川や湖が繋がり、乾季には水が引き、池や湿った土壌、露出した根が残ります。このサイクルが、淡水から塩湖まで、そして青々とした森林から乾燥した草原まで、多様な環境のモザイクを作り出しています。この景観のあらゆる隅々に、微小な生命が息づいています。細菌や真菌（カビ）を含むこれらの目に見えない生物は、自然界のリサイクラーです。彼らは酵素と呼ばれる特別な道具を作り出し、木材、タンパク質、脂肪といった複雑な物質を、より単純な栄養素へと分解します。科学者たちは、このような多様な環境には、汚染の浄化や廃棄物の処理といった人間の産業に役立つ強力な酵素を生み出すことができる、ユニークな微生物が潜んでいるのではないかと以前から疑ってきました。しかし、パンタナールはこの点において、いまだにほとんど未開拓であり、そこに生息する特定の微生物の種類や、彼らが持つ化学的な道具については、依然として謎に包まれています。

地表の下に何が隠されているのかを明らかにするため、研究チームは2025年11月、乾季のパンタナールにある10箇所の異なる地点へと赴きました。彼らは水、土壌、植物の根、シロアリの塚、さらには動物の糞までも採取しました。研究所に戻ると、彼らはこれらのサンプルを注意深く培養し、シャーレの中で生存できる微生物を育てました。これらの取り組みを通じて、彼らは122種類の異なる微生物株の分離に成功しました。このコレクションは細菌によって支配されており、全体のほぼ6割を占め、次いで、腐敗した木材などでよく見られる、カビのような生物である糸状菌（フィラメント状真菌）、そして少数の酵母が続きました。これら122の分離株は51の異なる分類群を表しており、これは研究者たちが、一般的なBacillus属やPenicillium属のような既知の属だけでなく、あまり馴染みのないものを含む、多種多様な生命の形態を見出したことを意味します。

微生物を培養した後、研究者たちはそれらがどのような種類の酵素を産生できるかを確認するために、それらを実働させました。彼らは各分離株に対し、タンパク質、脂肪、デンプン、植物繊維、その他の物質を分解する能力を探るため、7種類の異なる酵素活性についてテストを行いました。その結果、豊かな機能的多様性が明らかになりました。細菌の間では、タンパク質を分解する能力が最も一般的であり、分離株の70パーセント以上で見られました。真菌は植物繊維の分解に特に長けており、すべての真菌分離株がセルロースを分解する能力を示しました。一部の微生物はジェネラリストであり、複数のタスクをこなすことができました。例えば、数種類の細菌株は5種類の異なる物質を分解でき、一部の真菌は6種類を扱うことができました。研究者たちはまた、シロアリの塚から採取された微生物は木材の分解に優れているのか、あるいは水から採取されたものがタンパク質の消化に優れているのかといった、特定の関連性についても調査しました。シロアリのサンプルにおいてセルロース分解活性が高い頻度で見られるといった傾向は一部認められましたが、厳格なテストを経た後でも、これらのパターンは統計的に有意であるとみなせるほど強くはありませんでした。このことは、特定の酵素を産生する能力は、微生物がどこで見つかったかに厳密に結びついているのではなく、むしろ個々の菌株が持つ独自の遺伝的構成に依存していることを示唆しています。

この研究はまた、特に興味深い微生物の系統をも明らかにしました。遺伝子解析を通じて、研究者たちは既知の種カテゴリーにうまく当てはまらない3つの細菌分離株を特定しました。一つはRothia属に関連していますが、新しい系統を代表する可能性があるほど独特なものでした。もう一つはPseudomonasグループの中にありましたが、種レベルでの解決には至りませんでした。三つ目の分離株はEnterobacteralesと呼ばれる細菌のグループに属していましたが、最も近い既知の近縁種とは大きく異なっており、生命の樹における全く新しい枝を代表している可能性があります。これらの発見は、パンタナールが単に既知の生物の多様性を持っているだけでなく、まだ完全に記述されていない可能性のある新種をも保持していることを強調しています。

研究者たちは、パンタナールは微生物の多様性の宝庫であり、バイオテクノロジーに役立つ幅広い生物学的ツールを提供していると結論付けました。多くの微生物が複数の酵素タスクを実行できるという事実は、複雑な産業プロセスにおいて彼らを特に価値あるものにしています。しかし、本研究は一つの限界についても指摘しています。それは、彼らが特定の実験室条件で生存できる微生物のみを培養したため、野生には存在するものの、容易に培養できない多くの微生物を見逃している可能性があるということです。それにもかかわらず、37種類の異なる酵素プロファイルを持つ122の多様な分離株を回収できたことは、将来の探索に向けた強固な基盤となります。この研究は、パンタナールのユニークな環境の混合が、強靭で多才な微生物コミュニティを育んできたことを示唆しており、その潜在能力はまだ解明され始めたばかりです。

技術要約：パンタナールにおける培養可能な微生物のバイオプロスペクティング

問題提起
世界最大の熱帯湿地であるパンタナールは、塩水湖、季節的に冠水する草原、多様な森林形成を含む複雑な水文学的動態と不均一な環境によって、高い生物多様性を有している。このような生態学的な豊かさにもかかわらず、パンタナールの培養可能な微生物の多様性は、バイオテクノロジーへの応用という観点からは未だ十分に探索されていない。これまでの研究は、この地域の微生物の酵素学的ポテンシャルについて部分的な特性評価のみを提供しており、多くの場合、複数の微生物群（細菌、糸状菌、酵母）を広範な酵素活性に対して同時にスクリーニングできていない。このバイオームから得られる培養可能な微生物の分類学的および機能的多様性を包括的に評価し、新規のバイオテクノロジー資源を特定する必要がある。

方法論
本研究では、ブラジルのパンタナール地域、マットグロッソ・ド・スル州の10の異なるサンプリング地点から微生物を分離・特性化するために、培養依存的なバイオプロスペクティング手法を用いた。サンプリングは、対照的な物理化学的条件に適応した微生物を捉えるため、乾季（2025年11月）に実施された。

試料採取: 環境試料には、水、様々な種類の土壌（乾燥、中間、湿潤、砂質）、植物／根の表面、地衣類、シロアリの個体および塚、牛の糞、および分解中の木材／真菌が含まれた。
分離: 微生物は段階希釈法によって分離された。細菌は、ナイスタチンを添加したLuria–Bertani (LB) アガーを用いて播種し、糸状菌および酵母は、カナマイシンを添加したポテトデキストロースアガー (PDA) に播種した。純粋培養は継代培養によって得られた。
分類学的同定: 分離株はサンガーシーケンシングによって同定された。細菌の同定には16S rRNA遺伝子が用いられ、より高い解像度を必要とする特定の分離株にはrpoBおよびgyrBの追加シーケンシングが用いられた。真菌および酵母の同定には、Internal Transcribed Spacer (ITS) リージョンが用いられた。既知の標準株との配列一致性が低い（<98.65%）場合や、BLASTの結果が曖昧な細菌分離株については、系統解析が行われた。
酵素スクリーニング: 合計122の分離株に対し、7種類の細胞外酵素活性について、アガーベースのアッセイを用いて定性的スクリーニングを行った。対象とした酵素は、ウレアーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ、ラッカーゼ、アミラーゼ、セルラーゼ、およびキチナーゼである。陽性反応は、ハロー形成、沈殿、または色の変化によって判定された。
統計解析: 酵素陽性の分離株における分類学的多様性は、シャノン・ウィーナー指数 ( $H'$ ) を用いて定量化した。酵素間の関連性、およびサンプル起源と活性の間の関連性は、2 × 2 分割表、フィッシャーの正確確率検定、およびファイ係数 ( $\phi$ ) を用いて評価され、多重比較補正としてベンジャミニ・ホックバーグ法を用いた。

主な結果

分離株の回収: 合計122の培養可能な分離株が回収され、その内訳は細菌73株（59.8%）、糸状菌46株（37.7%）、酵母3株（2.5%）であった。これらは51の異なる分類群を表していた。最も頻度の高い属は、Penicillium（9.8%）、Bacillus（9.0%）、およびPriestia（8.2%）であった。
酵素プロファイル: 本研究では、37の異なる二進法的酵素プロファイルが特定された。
- 細菌: プロテアーゼ活性が最も頻繁に認められ（71.2%）、次いでウレアーゼ（47.9%）、アミラーゼ（46.6%）であった。キチナーゼはわずか5株の細菌分離株（6.8%）において検出され、真菌および酵母では認められなかった。
- 糸状菌: すべての分離株（100%）がセルラーゼ活性を示した。ウレアーゼ（69.6%）およびアミラーゼ（67.4%）も非常に高い割合で認められた。
- 酵母: 活性は限定的であり、1株のみがウレアーゼ活性を示した。
多酵素能: 糸状菌は細菌よりも高い多酵素能を示し、細菌の1株あたりの陽性活性の中央値が2であったのに対し、糸状菌は3であった。特に、Aspergillus section Terrei および Fusarium sp. の分離株は、7つのうち6つの活性に対して陽性であった。
分類学的多様性: 酵素陽性分離株のシャノン・ウィナー多様性指数 ( $H'$ ) は0から2.86の範囲であった。最も高い多様性は、土壌由来のプロテアーゼ陽性分離株（ $H' = 2.86$ ）および植物／根のサンプル由来のウレアーゼ陽性分離株（ $H' = 2.73$ ）で見られた。
関連性: 特定の酵素ペアの間で、プロテアーゼ–リパーゼ、ラッカーゼ–アミラーゼ、およびプロテアーゼ–アミラーゼの間に有意な正の相関が見られた。多重比較補正後、サンプル起源と特定の酵素活性との間に有意な関連性は残らなかった。これは、サンプル起源単独では酵素学的レパートリーを予測できないことを示唆している。
系統学的知見: 系統解析により、3つの注目すべき細菌系統が浮き彫りになった：
- P_1.1_002 (Rothia内): Rothia aerolata と97.44%の一致度を示したが、明確に支持される姉妹群を形成しており、異なる系統であることを示唆している。
- P_13.1_002 (Pseudomonas内): 強固に支持されるクレード内に配置されたが、Pseudomonas panipatensis との関係において種レベルの位置付けが未解決であった。
- P_10.3_001 (Enterobacterales内): 最も近い標準株との一致度が98%未満であり、既知のどの属とも強固な関連性を示さず、潜在的に新規の系統であることを示している。

意義および主張
本論文は、パンタナールが多様な培養可能な微生物分画と実質的な機能的不均一性を備えていることを主張しており、このバイオームがバイオテクノロジーに関連する微生物の供給源としてのポテンシャルを有することを裏付けている。本研究は、培養依存的なバイオプロスペクティングが、廃棄物処理やバイオレメディエーションなどの複雑なマトリックスへの適用に価値のある多酵素表現型を含む、明確に異なる分類学的および酵素学的プロファイルを持つ分離株を回収できることを示している。

著者らは、回収された分離株は、全微生物コミュニティではなく、特定の実験条件下における「培養可能な分画」を表していることを強調している。彼らは、一部の分類群がサンプリングサイト（例：塩水湖における耐塩性種）と生態学的に対応していたものの、サンプル起源と酵素活性との間に有意な統計的関連性が欠如していたことは、機能的多様性が環境起源のみではなく、分類学的組成、株レベルの変異、および分離株固有の生理学の組み合わせによって駆動されていることを示唆していると述べている。

文書化が不十分な酵素活性（例：Glutamicibacter endophyticus におけるラッカーゼ）を持つ分離株や、既知の標準株との配列類似性が低い分離株の同定は、これらの株に対する将来的な分類学的、生化学的、およびバイオテクノロジー的な特性評価の優先順位付けを支持するものである。本研究は、同一の種であっても異なる酵素学的レパートリーを示す可能性があるため、株レベルのバイオプロスペクティングが不可欠であると結論付けており、これにより新規の表現型発見の可能性が広がるとしている。

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