メタン生成の「犯人」は他にもいるのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 楊昌家連 (中国科学院微生物研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

1977 年、科学者カール・ウーゼは生物学的配列を分析することによって偶然に新しい生命領域である古細菌を発見しました。これは、既知の生物学的家系図に謎の新しいメンバーを追加するようなものでした。

これらの微生物は形態的には細菌に似ており、核を欠いていますが、遺伝的および生化学的特性から、真核生物（植物や動物など）とより密接に関連していることがわかります。この発見は、生命の進化に関する私たちの理解を覆しただけでなく、科学者にとって微生物界の新たな探究の道を開きました。

生命の3つのドメインシステム

（画像出典：参考文献4）

メタン生成古細菌：地球の炭素循環の知られざる英雄

すべての古細菌の中で、メタン生成菌は最も注目を集めるクラスです。バイオガス発酵は地球上で最も古い原核微生物の 1 つであり、嫌気性環境で有機物をメタンに分解することができ、一般に「バイオガス発酵」として知られています。この独特な代謝モードにより、それらは地球全体のメタン排出の主な「原因」となっている。

従来の見解では、メタン生成古細菌は主に古細菌ドメインのユーリアーキオータに属すると考えられてきましたが、最近の研究では他の古細菌の分岐にもメタンを生成する可能性があることがわかりました。

科学者たちは自然界で、ユーリアーキオータ門以外のメタン生成古細菌を数多く発見しています。これらの新しい古細菌はメタンを生成するだけでなく、発酵や硫黄代謝などの複数の代謝経路に関与する可能性があり、地球規模の炭素循環における役割はより複雑で多様なものになります。

メタン生成：単純な分子から温室効果ガスへ

メタン (CH4) は、1 つの炭素原子と 4 つの水素原子からなる単純ですが重要な有機分子です。大気中の濃度は二酸化炭素よりもはるかに低いものの、その地球温暖化係数（GWP）（温室効果ガスの地球温暖化への影響を示す指標）は二酸化炭素の30倍、20年スケールでは84～87倍にも達することがあります。

メタンの生成は主にメタン生成古細菌に依存しており、メタン生成古細菌は嫌気性環境で有機物（二酸化炭素、水素、ギ酸、酢酸など）をメタンに変換できます。このプロセスは、一連の複雑な生化学反応を伴う小型の化学工場のようなもので、その重要なステップはメチル CoA 還元酵素 (Mcr) 複合体によって触媒されます。

温室効果図

（画像出典：参考1）

非ユーフラクアにおけるメタン生成に関する新たな発見

メタンを生成できるのはユーリアーキアだけだと広く信じられていたが、最近のメタゲノム研究ではこの見解に異論が出ている。科学者たちは、複数の非広汎古細菌において、Mcr複合体をコードする遺伝子を発見しており、これらの古細菌もメタンを生成する可能性があることを示唆している。

ゲノム解析によりこれらの古細菌の潜在的なメタン生成能力が明らかになったものの、純粋培養が不足しているため、その代謝メカニズムや生態学的機能の詳細な調査は行われていませんでした。これらの古細菌は「暗黒物質」状態のままであり、実際のメタン生成能力は実験的に検証することができない。

中国農業農村部成都バイオガス科学研究所の研究チームは、オランダのワーゲニンゲン大学と共同で、7年がかりで、カクテル分離法（多様な成長条件を提供することで、複雑な環境サンプルから特定の微生物種を選別・分離し、さまざまな材料を「カクテル」に加え、最適な材料の組み合わせを見つけて目的の微生物を培養するのと同じような方法）により、油田から新しいタイプのメタン生成古細菌、Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6を分離・培養することに成功した。

人類がユーフラクア以外の細菌から純粋培養物を入手したのは今回が初めてであり、これらの古細菌の炭素代謝機構や生態学的機能を研究するための貴重な実験材料が提供されることになります。

LWZ-6 は、Thermoproteobacteria の Methanosuratincolia クラスに属する好熱性古細菌です。 LWZ-6株は、電子受容体（他の分子から移動した電子を受け取り、酸化還元反応によってエネルギーを生成する）としてメタノールとモノメチルアミンのみを使用し、電子供与体として水素を使用してメタンを生成しますが、糖、ペプチド、アミノ酸を発酵する能力はありません。この発見は、メタン生成経路に関する新たな理解を解き明かす鍵のようなもので、地球全体のメタン排出と炭素循環における非ユーフラクタル細菌の重要性を明らかにします。

LWZ-6株の代謝経路

（画像出典：参考資料2）

メタンの環境影響と対応戦略

強力な温室効果ガスであるメタンの地球温暖化への影響は過小評価できません。大気中のメタン濃度は産業革命以来2.5倍に増加しました。効果的な対策が講じられなければ、メタン排出により2100年までに地球の気温が0.5℃上昇すると予測されています。

メタン排出による気候問題に対処するために、私たちはさまざまな緩和戦略を提案します。例えば、農業分野では、水田の水資源管理の改善、家畜の飼育方法の最適化、食生活構造の調整などの対策がメタン排出量の削減に役立ちます。産業分野では、メタン生成古細菌を利用して廃水中の有機物を分解し、燃料獲得時に放出されるメタンを捕捉することも、排出削減の有効な手段です。

メタン循環図

（画像出典：参考文献3）

結論

メタン生成古細菌は地球上で最も古く、最も重要な微生物の一つです。これらは地球の初期の環境の形成に重要な役割を果たしただけでなく、現代の炭素循環や気候変動にも重要な役割を果たしています。これらの古細菌について徹底的な研究を行うことで、科学者は地球の炭素循環の複雑なメカニズムをより深く理解し、より効果的なメタン排出削減戦略を開発することができ、地球規模の気候変動に対処するための科学的根拠を提供することができます。

Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6 の発見は、古細菌研究における大きな進歩であり、メタン生成における非広汎古細菌の重要性を明らかにしました。今後、技術の進歩と研究の深化により、古細菌のさらなる謎を解き明かし、地球の生態系におけるその独自の役割を探究していきたいと考えています。

参考文献:

1.ファディ・ジャミール。単なる空論ではない

2. Wu、K.、Zhou、L.、Tahon、G. 他。ユーリアーキオータ以外からのメチル還元メタン生成菌の分離。自然（2024年）。

3. カニカ・カンナ「メタン生成古細菌が気候変動に及ぼす影響」2022年5月6日

4.Woese CR、Kandler O、Wheelis ML。生物の自然システムに向けて：古細菌、細菌、真核生物の領域に関する提案。米国学術誌Proc Natl Acad Sci. 1990;87(12):4576-4579.

（注：本文中のラテン語部分は斜体で表記してください）