嫌気性メタン酸化共生体における一酸化炭素酸化が既知の代謝能力を拡張する

暗い海底の生

海面からはるか下、冷たく酸素のない泥の中で、小さな共生微生物たちが協力して強力な温室効果ガスであるメタンが上層の水へ届くのを防いでいる。本研究は、こうした深海の共同体が科学者が考えていたよりもさらに柔軟であることを示す。通常の燃料であるメタンが不足すると、彼らは別の気体である一酸化炭素を利用して生き延び、変化する海底環境下での炭素循環を維持できる。

海底下に潜む隠れた共生関係

海底の多くのメタン濃集域では、メタンを消費する古細菌（ANME-2bと呼ばれる）と硫酸還元細菌の二種類が密接に集まっている。通常、古細菌はメタンを消費して放出されるエネルギーと電子を細菌に渡し、細菌はそれらの電子を用いて海水中の硫酸を還元する。この共同作業により、多くのメタンが海や大気に放出される前に閉じ込められる。本研究では、これらのパートナーが一酸化炭素という別の燃料を利用できるかどうかを問い、一酸化炭素は堆積物中で熱や他の微生物活動によって生成されうるガスである。

古い仲間への新しい燃料

研究者らは、コスタリカ沖のメタン湧出泥を用いて密閉の嫌気性「マイクロコズム」を作り、制御下で一酸化炭素を供給した。炭素と硫黄の同位体標識を追跡することで、共生体が一酸化炭素を酸化し、その一方で硫酸を硫化物に還元していることを示した。硫酸が存在しない条件では、一酸化炭素の酸化が代わりに二酸化炭素からのメタン生成を駆動した。一酸化炭素からのメタン生成速度は控えめで、通常のメタン消費代謝の約9分の1程度だったが、明確に測定可能であり、利用可能な化学物質に応じて同じ共同体がメタンを消費も生成もできることを示している。

単一細胞へのズームイン

どの微生物が実際にこの新しい燃料で活動しているかを突き止めるため、チームは蛍光イメージングとナノスケール質量分析を組み合わせた強力な手法を用いた。研究者らは重い同位体で標識した窒素をコミュニティに与え、個々の細胞内にどれだけ取り込まれたかを測定した。一酸化炭素のみがエネルギー源として供給されたボトルでも、多くのANME-2b細胞と一部のパートナー細菌が標識窒素を取り込んでおり、基本的な細胞維持活動が行われている証拠となった。しかし一酸化炭素濃度が高くなると活動は低下し、このガスが過剰になると毒性を示すこと、そして自然界ではより穏やかな条件での活動が想定されることを示唆した。

微生物の「活動ログ」を読む

単一細胞測定に加えて、研究者らはコミュニティがメタンと一酸化炭素を使うときにどの遺伝子がオンになっているかを調べた。古細菌では、メタンを扱う主要酵素に関わる遺伝子は両方の燃料下で高く発現していたが、主要なエネルギー保存段階に結びつく遺伝子は一酸化炭素供給下で抑えられていた。このパターンは、一酸化炭素利用が細胞の維持に十分なエネルギーは供給するが、強い増殖を支えるほどではないことを示唆する。一方で、パートナーの細菌は細胞間の直接的な電子共有に関わる遺伝子や自身の一酸化炭素処理酵素に関連する遺伝子をオンにしており、古細菌からエネルギーを受け取りつつ自身で一酸化炭素を酸化できる可能性を示している。

地球の炭素収支における意義

専門外の人に向けた要点は、深海のメタン消費コミュニティが一発屋の専門家ではないということだ。彼らは代替燃料として一酸化炭素に切り替えることができ、それを主に困窮期の生存と代謝維持に利用し、急速な増殖のためには使わない。この柔軟性により、メタン供給が変動する際にもこれらの共生体は持ちこたえ、メタンが再び供給されればすぐに本来のメタン分解の役割を再開できる。本研究が明らかにしたこの隠れた生存戦略は、海底での炭素と硫黄の移動、および変化する環境条件下での地球の自然なメタンフィルターの回復力に関する理解を洗練する。

引用: Guo, Y., Utter, D.R., Murali, R. et al. Carbon monoxide oxidation expands the known metabolic capacity in anaerobic methanotrophic consortia. Nat Commun 17, 3461 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71433-9

キーワード: メタン湧出, 一酸化炭素, 嫌気性古細菌, 硫酸還元細菌, 深海堆積物