スウェーデン・Äspöの地下帯水層からの細胞サイズ分画を用いた富化インキュベーションによる微生物多様性の探究

足元の深部に潜む生命

スウェーデンの森や海岸のはるか下、古い岩盤の冷たく暗い断層の中で、膨大な微生物群集がわずかなエネルギーで静かに耐え忍んでいます。これらの微小な生物は地球規模の炭素や硫黄の循環を動かす助けをしますが、多くは非常に小さく、周囲の微生物に強く依存しているため、何十年にもわたって研究者の目から逃れてきました。本研究はその地下世界を覗き込み、急速に増殖するよりも近隣の微生物と密接に結びついて生きているらしい超小型細胞から成る、意外に豊かな「微生物ダークマター」を明らかにします。

隠れた生息地としての深部地下水

研究者たちはスウェーデンのバルト海沿岸にあるÄspöハードロック研究所で作業しました。そこではトンネルが地表から数百メートル掘り進められ、古い花崗岩を横切っています。帯水は狭い岩の割れ目をゆっくり流れます。これらの水の一部は降雨や土壌の影響を受けた比較的若い水であり、別のものは希薄な海水に近く、さらに別は長期間表層から隔絶された古く塩分の高い水です。以前の研究は、これらの水が多様な微生物群集を宿しており、極めて小さな細胞とゲノムを持つ多くの特異な系統が含まれることを示していました。

最小の細胞に焦点を当てる

こうした捉えどころのない微生物を調べるため、チームは異なる深度と化学組成の無酸素帯水を3か所から採取しました—土壌影響を受けた降水性、海成、そして塩性のものです。研究室では、嫌気性インキュベーションを行い、単純な炭素源（酢酸）か、壊した細菌細胞から作った複雑な混合物を添加しました。重要な点は、多くのインキュベーションで最初に0.45ミクロンより大きい細胞を除去するフィルターを通したことです。フィルターを通過したのは、Patescibacteria、Nanobdellota、Omnitrophotaなどの超小型の細菌や古細菌で、代謝が限定的で近接するパートナーや宿主に依存していると考えられるグループでした。

増殖のない多様性

数週間から数か月にわたり、研究者たちはDNAシーケンスと顕微鏡カウントを用いて細胞数と群集組成を追跡しました。未ろ過の完全な地下水を含むインキュベーションでは、総細胞数は通常約10倍に増加しましたが、Bacillota、Spirochaetota、Desulfobacterotaなどのごく一部の高速増殖群が優占し、多様性は低下しました。これに対し、サイズ分画したインキュベーション（超小型細胞のみを保持）は、酢酸や豊富な細胞溶解物を与えても細胞数の増加がほとんど見られませんでした。それでも遺伝的多様性は非常に高く、しばしば元の地下水と同等でした。これは、地下生態系の多くの多様性が、提供された条件下で明瞭な増殖を示さずに持続するこれらの微小形態に存在することを示唆しています。

依存的な生活様式を示す遺伝的手がかり

これらの微生物がどのように生きているのかを理解するため、チームはインキュベーションから多数のドラフトゲノムを再構築しました。Desulfobacterotaや一部のPseudomonadotaのような大きなゲノムを持つ細菌は、複雑有機物の分解、酸素や硫酸塩の呼吸、さらには二酸化炭素の固定といった幅広い代謝機能の遺伝子を持っていました。対照的に、PatescibacteriaやNanobdellota由来のゲノムは小さく簡素化されていました。中心的炭素代謝の完全な経路を欠き、独立した増殖の能力は乏しいものの、細胞分裂、細胞壁構築、付着構造、輸送系の遺伝子は持っていました。この組み合わせは、これらが他の微生物に付着したり密接に結びついたりして、パートナーから必要な栄養素を漁るような生活様式に一致します。

暗闇の中の微生物のパートナーシップ

多数の地下水サンプルとインキュベーションを横断して、研究者たちはどの系統が共に現れやすいかも調べました。Patescibacteriaといくつかの他群、特にDesulfobacterota、Chloroflexota、Omnitrophotaとの共起パターンが強く見られました。これらのパターンは直接的な宿主–共生者関係を証明するものではありませんが、超小型微生物が欠けている構成要素やエネルギーを供給できる代謝的に多才な近隣に集まるという考えに合致します。こうしたパートナーシップは、エネルギーが乏しく資源の供給が遅く不確実な深部地下での重要な生存戦略である可能性があります。

地球上の生命にとっての意義

総じて、本研究は、深く低エネルギーの地下水における微生物多様性の大部分が、標準的な富化実験でほとんど増殖せず、他の微生物との緊密な相互作用に依存していると考えられる超小型細胞で構成されていることを示しています。追加の餌が与えられても爆発的に増えるのではなく、これらの系統は数的には安定しながらも分類学的には豊かに残り、表層生態系とは異なる時間スケールとエネルギー予算で機能するゆっくりと緊密に結びついた生命の網を示唆します。これらの隠れた群集を理解することは、地球のバイオマスや生物多様性の推定を再形成するだけでなく、極度の不足下で生命がどのように持続しうるかを知る窓を提供します—この教訓は他の惑星の地下環境にも当てはまるかもしれません。

引用: Westmeijer, G., Turner, S., Hevele, P. et al. Exploring microbial diversity using cell-size fractionated enrichment incubations from subsurface aquifers at Äspö, Sweden. Commun Biol 9, 378 (2026). https://doi.org/10.1038/s42003-026-09706-8

キーワード: 深層地下帯水, 超小型微生物, 微生物の共生, Patescibacteria（パテスシバクテリア）, 低エネルギー生態系