【研究領域課題番号】20K10436 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロバイオーム / 微生物 / 細菌 / ウイルス / 都市 / 人工環境 / 建造環境 / 抗生物質耐性 / 都市マイクロバイオーム / 人工環境の微生物 / メタゲノム / 薬剤耐性 / 新型コロナウイルス感染症（COVID-19） / MetaSUB国際コンソーシアム / バッチ効果 / 微生物群集 / オリンピック / 抗菌薬耐性 / プラスミド

【研究成果の概要】

微生物による感染症の増加要因には、抗菌薬耐性などの病原体要因に加え、都市化による人口の集中、交通機関の発達による人の国際的な移動などの社会的要因が関与している。感染症の国際化に対応するためには、感染症のアウトブレイク（パンデミック）が発生する前の状態を定期的に観測する国際協力体制の構築が必要である。これまでに、国際コンソーシアム MetaSUB (Metagenomics & Metadesign of Subways & Urban Biomes; metasub.org) では、標準化されたプロトコルを用いて、都市のマイクロバイオーム urban microbiome（微生物群集とその遺伝子の総体）の共通点と相違点を明らかにしてきた。しかし、人の国際的な移動イベントに伴う都市マイクロバイオームの変動を調査した研究は前例がない。2020年は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）パンデミックにより、国外からの来訪者が激減し、「緊急事態宣言」に伴い学校施設などが閉鎖された。そこで、本研究では、COVID-19パンデミック下の国際イベント（オリンピック・パラリンピック）開催前後の都市マイクロバイオーム（ウイルス・細菌・薬剤耐性遺伝子の組成）の変動を明らかにすることを目的とする。
2021年度は、東京2020オリンピック（7月23日-8月8日）・パラリンピック（8月24日-9月5日）開催期間中とその前後に定期的に、建造環境 built environment（鉄道の駅、学校施設など）表面からサンプルを採取した。サンプルは米国ニューヨーク市（Mason Lab, Weill Cornell Medicine）へドライアイス輸送した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】環境解析評価およびその関連分野

【研究領域課題番号】17H06294 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋物質循環 / プロリン / コロイド粒子 / アミノ酸 / 海洋微生物 / 微生物群集 / 海洋 / 物質循環 / 細菌 / 微生物 / 有機物 / サブミクロン粒子

【研究成果の概要】

アミノ酸は重要な生体構成成分であり、海洋物質循環において重要な役割を果たしている。これまで海洋環境中のアミノ酸動態については多くの研究がなされてきたが、たんぱく質を構成する２０種類のアミノ酸のうち唯一の環状２級アミンであるプロリンは、分析方法上の制約から、その分布や変動についての知見が限られてきた。本研究では、この方法的な制約を克服し、海洋試料のアミノ酸組成を、プロリンを含めて高感度に分析する手法を確立した。この手法を用い、海洋有機物のプロリン含有量の変動を明らかにするとともに、これまで未知であった、高プロリン含有成分の動態の影響要因の解明を大きく前進させた。

【研究の社会的意義】

従来用いられてきた誘導化法とは異なる原理に基づく分析手法を確立し、これを海洋試料に適用することで、これまで見逃されてきたプロリン動態を解析する為の技術的基盤を提供した。この方法が確立したことで、今後、海洋試料のアミノ酸動態の研究が高度化することが期待される。また、この手法を用い、これまで情報の乏しかったサブミクロンサイズ画分の海洋有機物のプロリン含有量とその変動を明らかにするなど、海洋物質循環の理解の深化に結び付く、重要な新知見を得ることができた。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2017-06-30 - 2020-03-31

【配分額】25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)

【研究分野】環境農学(含ランドスケープ科学)

【研究領域課題番号】15H04620 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

窒素固定 / サツマイモ / 共生細菌 / 多様性 / 16S rRNA遺伝子 / Alphaproteobacteria / メタノール培地 / Rhizobiales / Rhodopseudomonas / 微生物生態 / 共生 / NMR / メタボローム解析 / 微生物 / 細菌 / 応用微生物 / 環境 / 生態学 / 微生物多様性

【研究成果の概要】

サツマイモの茎、塊根の表面と内部の共生細菌群集について非培養法による多様性解析を行った結果、各組織に共通して他の作物種よりもアルファプロテオバクテリアの優占化が観察された。また、多様性指数は塊根表面、茎、塊根内部、の順番で小さくなることが明らかにされた。上記と対応する組織から共生細菌の網羅的な分離培養を実施した。約2000株の分離菌について16S rRNA遺伝子に基づくクラスタリング解析を行った結果、約320個のグループが得られた。これらのグループの代表的な菌株について培養法により空中窒素固定活性を測定した結果、塊根に共生するダイズ根粒菌に類似した１菌株について活性を検知した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】15H05737 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Ｘ線自由電子レーザー / コヒーレントＸ線イメージング / 細胞 / 微生物 / 可視化 / 超精密計測 / Ｘ線 / 細菌 / 量子ビーム / X線 / 高性能レーザー

【研究成果の概要】

Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）イメージングにより、未解明の部分が多い原核細胞の細胞分裂のナノダイナミクスや高度好熱菌の多倍性など、基礎微生物学に資する成果を得た。また、乳製品の加熱殺菌、金ナノ粒子を用いたがんのフォトサーマル治療、インフルエンザウィルス、ドラッグデリバリー、電気自動車用電池材料などに関連した幅広い応用研究を展開した。さらに、分子レベルのXFELイメージングに向けた技術開発にも取り組んだ。

【研究の社会的意義】

従来生きた状態での観察が難しかったバクテリア細胞のナノレベルの構造を、Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）を用いて観察し、細胞の最も基本的な現象である細胞分裂や、細胞が遺伝情報を複数コピー持つ多倍性など基礎微生物学に貢献する直接的な画像を得た。また、XFELが溶液中の試料を放射線損傷なく高コントラストでナノイメージングできるという他にはないユニークな特長を活かして、食品、医療、自動車産業などへの応用研究を進めた。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2015-05-29 - 2020-03-31

【配分額】200,070千円 (直接経費: 153,900千円、間接経費: 46,170千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】15H01725 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 微生物 / 凝集体 / 炭素循環 / 沈降フラックス / 中・深層 / ウィルス / 微生物群集 / 細菌 / 珪藻類 / 海洋炭素循環 / 微生物ゲノム / 細菌群集 / 有機物

【研究成果の概要】

海洋表層の基礎生産で生成された有機物（凝集体）の沈降によって媒介される炭素鉛直輸送（生物ポンプ）は、海洋内部での炭素貯留を促進するプロセスとして重要であるが、その変動や制御には不明の点が多い。本研究では、凝集体の形成・沈降過程を、凝集体と海洋細菌群集の相互作用という新たな切り口から追及した。実験的解析の結果、海洋細菌群集には、大型凝集体の形成を顕著に促進する作用があることが示された。また、凝集体形成促進能を持つ細菌グループとしてシュードアルテロモナス属を特定した。海洋観測研究では、凝集体の大深度分布や、炭素の鉛直・水平輸送において果たす役割についての解明を進め、成果を論文として公表した。

【研究の社会的意義】

今後、海水温の上昇や気候変動による海流の変化が起きたときに、生物ポンプの機能がどのように変化するのかを予測することは人類にとっての重大な関心事である。本研究の成果は、気候変動に対する海洋炭素循環システムの応答とそれが気候に及ぼすフィードバックを考えるうえで重要な基礎的知見である。また、凝集体は、海洋における汚染物質（放射性物質やマイクロプラスチックなど）の分布や動態にも強い影響を及ぼすことから、本研究の成果は、新しい海洋環境浄化手法の開発といった応用的な分野にも重要なヒントを与える可能性がある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】24241002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微生物 / メタゲノム / 西部北太平洋 / 海洋細菌 / 時系列観測 / 多様性 / メタゲノミクス / 細菌 / 古細菌

【研究成果の概要】

西部北太平洋海域は，世界でも有数の漁場であり，活発な生物ポンプ作用による二酸化炭素吸収海域でもある．本研究は，西部北太平洋の亜寒帯及び亜熱帯海域に設置された時系列観測点において，微生物群集構造および代謝機能の網羅的解析を行うことにより，亜寒帯及び亜熱帯外洋域における微生物機能の時系列変動を比較解析した初めての例として，貴重なデータと成果を得ることができた．さらに，次世代型のメタゲノム解析・評価システムMetabolic And Physiological potentiaL Evaluator (MAPLE)の開発に貢献し，新しい生態系解析ツールとしての有用性を示した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】22651004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 微生物 / ウィルス / 空間分布 / 生態系 / 鉛直分布 / 細菌 / シアノバクテリア / 海洋生態系 / 紫外線 / 溶存酸素

【研究成果の概要】

外洋域においてウィルス数が局所的極大を示す層、すなわち「ウィルス・ホットスポット(VHS)」、の分布の実態把握と形成機構の究明を行った。観測の結果、VHSは中部および西部北太平洋において広範に見られ、その分布が溶存酸素アノマリーの分布と関連することが明らかになった。観測・実験データを基に、VHSの形成には、宿主依存的なウィルス生産、鉛直混合、紫外線影響の3要因が関与しているという新たな仮説を提案した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2010 - 2011

【配分額】3,550千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 450千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】18687002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

難培養 / 微生物 / 細菌 / 共生 / ゲノム / シロアリ / 昆虫 / バイオマス / 腸内細菌 / 原生生物 / 環境 / セルロース

【研究成果の概要】

地球上の99%以上の微生物種は培養法が不明であり、その生理・生態はほとんど未知である。本研究では、シロアリ腸内に共生する培養不能細菌の1種の少数細胞から、DNA合成酵素を使用することで全遺伝子情報を1千万倍に増幅して完全解読する手法の確立を試み、世界で初めて成功した。これにより、これまで詳細が不明であったシロアリと腸内原生生物、腸内細菌の複雑な3者共生機構を世界で初めて明らかにした。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】11694197 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細菌 / 海洋 / 溶存有機物 / ペプチドグリカン / ポリマー / 細胞外加水分解酵素 / 放射トレーサー法 / 北部北太平洋 / 溶存有機炭素 / 炭素循環 / 微生物 / 分解

【研究成果の概要】

1.海洋に蓄積している有機ポリマーである細菌細胞壁主成分(ペプチドグリカン)の分離、精製、定量法を検討した。
2.海洋細菌を用いてペプチドグリカンの放射標識標品を調製する方法を検討した。
3.上記の検討に基づき、海洋における高分子有機ポリマーの循環速度を高感度に測定するアッセイ法を新規構築することに成功した。
4.沿岸、外洋海域における培養実験を行い、高分子有機ポリマーの分解速度と、分解過程を詳細に解析した。その結果、海洋環境における複合ポリマーの加水分解と取り込みが脱共役していることを明らかにした。
5.有機ポリマーおよび溶存有機物の分解に関わる微生物量と活性の広域分布データ(北部北太平洋)の解析から、高分子分解活性の鉛直プロファイルに顕著な東西差が存在することをはじめて明らかにした。その要因の解析から、たんぱく質加水分解酵素の活性触媒である亜鉛の供給量が、有機ポリマー分解の地理的パターンの決定要因のひとつであるという新しい仮説を提案した。
6.太平洋の広範な海域における細菌活性の分布データから、海洋中深層では、沈降有機粒子から溶出する溶存有機物を細菌が消費する経路を通しての有機物酸化が、炭素フラックスの中で大きな役割を果たしていることを示唆した。この知見は、海洋の有機物循環をモデル化するうえできわめて重要である。
7.有機ポリマーを含む、溶存有機物の生成過程をモデル化し、細菌群集およびその捕食者(特に原生生物)を介在する有機物の変質過程が、海水中での有機ポリマー蓄積に重要な役割を果たしていることを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】4,900千円 (直接経費: 4,900千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】08458142 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 溶存有機物 / 細菌 / タンパク質 / 炭素低環 / 加水分解酵素 / 温室効果 / 分解 / 炭素循環 / 微生物 / アミノ酸 / 細胞外酵素

【研究成果の概要】

海洋中の溶存有機物は、陸上植生、土壌有機物と並んで、地球上の3大有機炭素リザバ-のひとつの数えられている。その変動は、グローバルな炭素フラックス、さらには、大気中最大の温室効果気体である二酸化炭素の年-100年スケールでの変動にも影響を及ぼしうる.本研究の目的は、海洋における溶存有機物の蓄積メカニズムを、微生物生態学と地球化学を融合させた学際的なアプローチを用いて実験的に解明することである。生体ポリマーとして最も重要な成分である、タンパク質を材料とし、海水中における、膜、可溶性タンパク質の分解過程に関する実験的な解析を行った。新たに開発した2重標識トレーサー法を用いて、微生物分解速度定数の違いを求めたけった、膜タンパク質の分解速度定数を溶存タンパク質のそれに比した著しく低いことが始めて実験的に証明された。また、膜の除去により、タンパク質の分解速度定数が高まることも示された。これらの結果は、膜・壁成分による立体障壁が、海水中のタンパク質の保存機構として重要であることを強く示唆している。また、近年、地球化学的な観測により見出された。海水中に膜たん白質が多量に蓄積しているという現象もよく説明できると考えられる。さらに、分解の時間変化の解析から、膜一タンパク複合体を破壊するために、海洋細菌が多様な加水分解酵素を合成することも示された。以上の知見は、海洋における溶存有機物の変動をモデル化するうえで重要な意義を有する。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】06680489 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋炭素循環 / 微生物 / 溶存有機物 / コロイド / タンパク質 / 分解 / 細菌 / サブミクロン粒子 / 海洋物質循環 / 高分子溶存有機物 / 微生物分解 / 細胞外酵素

【研究成果の概要】

1.還元的メチル化法により高比活性に放射標識したモデルたんぱく質(BSA,牛血清アルブミン、分子量66kD)を用い、海洋細菌による高分子加水分解速度を高感度かつ比較的簡便に測定する方法論を完成させた。
2.放射標識BSAをポリスチレンの人工微粒子(径0.1-1.5um)に吸着させ、それを、細菌に分解させる実験系を新たに構築した。これにより、粒子の数やサイズを厳密に制御して、分解速度を明らかにすることが始めて可能になった。
3.上述の方法論を応用し、単離海洋細菌、海洋細菌混合集団、および、天然海水中の微生物群集による、モデル高分子溶存有機物の分解速度の解析を行った。その結果、分解速度が粒子のサイズに強く依存し、そのパターンが、粒子間の衝突確率を求める物理モデルの予測結果と定性的に一致することが明らかになった。
4.遊離のたんぱく質に比べ、微粒子に吸着したたんぱく質は、その分解速度が著しく低下した(1/10-1/200)。低下の程度は、細菌の種類に依存し、細胞外酵素系の特性が、吸着たんぱく質の分解に大きな影響をおよぼしているものと推察された。
5.以上の結果は、海水中に多量に存在する、サブミクロン粒子およびコロイドが、溶存有機物の分解性の低下に大きな役割を果たしているという本研究の作業仮説を支持した。この知見は、海洋炭素循環の仕組みと、海洋生態系の安定性を考えるうえで重要な意義を持つ。その内容は国際学術誌に原著論文として投稿し、受理された。研究費の主要な支出項目は、実験消耗品費と研究討論の旅費である。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)