淡水の嫌気性メタン酸化古細菌における一酸化炭素代謝

埋もれた微生物が気候に重要な理由

水に浸かった泥の奥深くで、小さな微生物たちが静かに多くのメタンを分解し、大気へ漏れて地球を温めるのを防いでいます。本研究は、これらのメタンを食べる微生物の一部が実は別の気体、一酸化炭素を好むことを示しており、この意外な嗜好が湖底や河床の泥の中での炭素の動きに影響を与え得ることを明らかにしました。この隠れた化学反応を理解することは、科学者が気候モデルを精緻化し、湿地や堆積物が温室効果ガスの自然なフィルターとして働く仕組みを見直す助けになります。

メタンの秘密の門番たち

メタンは強力な温室効果ガスで、大気中には微量しか存在しないにもかかわらず地球温暖化の約5分の1を担っています。湖や河川、湿地の酸素が乏しい泥の底では、古細菌と呼ばれる細菌とは異なる微生物がメタンを消費して大気に到達するのを防ぎます。これらの嫌気性メタン酸化古細菌は主要な生物学的「メタンフィルター」を形成します。中でもMethanoperedenaceaeというグループは特に多様性があり、メタン酸化を硝酸塩や金属などの溶存化学種を電子受容体として結びつけることができます。しかし、これらの微生物がメタン以外の燃料も利用できるか、あるいはそうした代替経路がメタンフィルターを強めるか弱めるかについては、これまで驚くほど知られていませんでした。

別の燃料を好む微生物

研究者たちは“Candidatus Methanoperedens BLZ2”として知られる淡水性古細菌に注目しました。これは一酸化炭素への嗜好を反映して、新たに“Ca. Methanoperedens carboxydivorans”と命名されることが提案されています。精密に管理されたフラスコ実験で、彼らは微生物に富むスラッジにメタン、一酸化炭素、あるいはその混合を供給し、気体消費と生成物の形成を追跡しました。硝酸塩が豊富な条件では、培養物はメタンよりも一酸化炭素をはるかに速く酸化し、両方の気体が存在すると一酸化炭素がほとんど完全にメタン利用を抑制しました。硝酸塩を除くと、微生物は依然として一酸化炭素を迅速に消費しましたが、今度はそれを主にメタン、酢酸、ホルミアートへ変換しました。これらの化合物は直接大気へ逃げるのではなく堆積物内に留まります。

気体変換のための隠れた遺伝的道具

単一の生物がこれほど異なる働きをこなせる仕組みを解明するため、チームはCa. Methanoperedens carboxydivoransのゲノムを再構築し、完全な円環構造にまで組み上げました。すると一酸化炭素を扱うための異常に多彩なツールキットが見つかりました：主染色体上にニッケルを含む一酸化炭素デヒドロゲナーゼ遺伝子が6つ、さらに環状の別のDNA断片（可動遺伝元素）上に2つありました。これらの酵素は細胞材料を合成する方向にも、酢酸のような生成物を作る方向にも進めることができる古くからの炭素処理経路の中心に位置します。可動元素はまた硝酸・亜硝酸の還元やホルミアートなど他の酸化還元反応を扱う追加モジュールも運んでおり、代謝の断片が関連する微生物間で移動して泥中の変化する条件に対する適応力を高めることを示唆しています。

酸化還元の「交通整理」が結果を決める

異なる気体混合物下でどの遺伝子が発現しているかを調べることで、研究者たちは微生物が内部の電子の流れをどのように振り分けるかの地図を組み立てました。硝酸塩が利用可能な場合、細胞は一酸化炭素からの電子を呼吸へと向け、エネルギーを保存する経路を駆動し、副産物はほとんど残りません。硝酸塩がないとき、電子は別の行き場を必要とします。微生物は発酵的なプロセスに頼り、一酸化炭素を使って還元キャリアを生成し、その圧力を酢酸、メタン、ホルミアートを作ることで解放します。この振る舞いは、通常はメタンを分解することで知られる微生物が、周囲の化学条件次第で古典的なメタン生成菌や酢酸生成者のように振る舞うことができることを示しています。

自然界のメタンフィルターを再考する

本研究は、淡水のメタン酸化古細菌が厳密なメタン専門家ではないと結論づけます。むしろ彼らはメタンを消費することと一酸化炭素を燃焼することの間で切り替えられる柔軟な炭素変換者であり、場合によっては自らメタンを生成することさえあります。一酸化炭素変換の遺伝子が関連微生物の間で広く見られることから、環境調査で見落とされがちな一酸化炭素がこれらのコミュニティをメタン酸化から遠ざけることがしばしばあるかもしれません。つまり、堆積物の自然なメタンフィルターの有効性は一酸化炭素レベルの微妙な変化によって上がったり下がったりする可能性があり、地球の酸素のない隠れた領域における温室効果ガス制御の見方を変え得るのです。

引用: Egas, R.A., Lin, H., Leu, A.O. et al. Carbon monoxide metabolism in freshwater anaerobic methanotrophic archaea. Nat Commun 17, 3460 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70080-4

キーワード: メタン循環, 一酸化炭素, 湿地堆積物, 古細菌, 温室効果ガス