天游线路检测中心 在地下发现！基因组被膜包裹的细菌 - 成功培养出属于新门的不寻常细菌 -
发布日期：2020/12/14
国立产业技术综合研究所
日本电子有限公司
日本科学技术振兴机构 (JST)
积分
- 世界上首次在“门”水平培养出一组新的细菌，这是世界各地地下环境中最常见的细菌群
- 一种细菌，虽然它是细菌（原核生物），但却颠覆了其基因组DNA被膜包裹的传统观念
- 阐明天然气田等地下环境中甲烷产生机制、重新定义原核生物、了解生物进化和多样化的重要成果
摘要
国立先进产业技术综合研究所 [会长：石村和彦]（以下简称“AIST”） 地圈资源环境研究部 [研究主任：三畑雄二] 地圈微生物研究组 首席研究员 片山安树 生物过程研究部研究组组长吉冈英吉 [研究主任：铃木薰] 生物资源信息基础设施研究小组 Nobu Masaru Konishi (Yu Nobu)，研究员 Hiroyuki Kusada，研究员 Kenei Men，技术人员，Yoichi Kamagata，特邀研究员 Hideyuki Tamaki 研究小组领导者为 天游线路检测中心 [总裁兼首席运营官 Izumi Oi] EM 业务部门总监 Naoki Hosoki，Marine Work Japan Co, Ltd [总裁 Kazuhiro Sugiyama] 海洋和地球科学部植松在通过与 Katsuyuki 所长的合作，我们成功培养了 RT761 菌株，这种细菌在天然气田等地下环境的甲烷生产中发挥着重要作用。
新细菌门层状三杆菌RT761 股
基于显微镜观察说明分裂型 RT761 菌株的细胞内结构。
基因组 DNA（灰线）包裹在细胞内膜（奶油色）中。
生物“原核”生物（示例：大肠杆菌、乳酸菌等细菌）“真核”生物（例如人类、动物、植物、真菌等）。两者之间的关键区别之一是基因组DNA是否被封闭在细胞内的膜（核膜）内，并且尚未发现原核生物具有核膜。然而，这一次，我们培养了A叶片RT761 菌株具有“包裹基因组 DNA 的细胞内膜”，而原核生物不应该具有这种膜。它显示了重新考虑原核生物的基本特征并重新定义它们的可能性。此外，以该菌株为代表的新门Atribacterota是世界各地存在甲烷的地下环境（天然气田等）甲烷水合物），因此有望有助于阐明地下微生物在地下环境中观察到的活跃甲烷生产活动中的实际状态和作用。
此结果发布于 2020 年 12 月 14 日（英国时间），自然通讯发表在杂志上。
发展的社会背景
微生物非常小，肉眼无法看到，因此为了了解某种微生物物种的特性，通常在实验室中培养和繁殖它。然而，生活在地球上各种环境中的微生物大多数无法人工培养和生长。如果我们不使用培养物直接分析环境中的基因，我们会发现存在多种与已知物种不同的可培养细菌物种。如果我们能够培养这些未知的、未培养的微生物并了解它们的特性，我们就能够了解支持地球生命的环境微生物的活动，最终为保护全球环境和安全高效地利用地球资源做出贡献。
甲烷是天然气的主要成分，被认为部分是由地下微生物产生甲烷产生的，了解地下环境中的微生物活动将有助于有效利用天然气资源并准确评估资源量。此外，地下环境中存在着多种未培养的微生物，是开发新微生物资源的理想场所。
研究历史
在 AIST，作为日本地质调查局和生物技术领域跨学科研究的一部分，我们的目标是阐明栖息在天然气田和油田等地下环境中的微生物的活动。位于千叶县的南关东气田蕴藏着地下微生物活动产生的大量甲烷，与天然气一样支撑着人们的生活。就其有效利用而言，它是一个重要的研究课题。这次，我们利用通过跨学科研究积累的培养技术、知识、经验和诀窍，从关东气田南部的地质水和沉积物样品中分离和培养细菌。
这项研究得到了文部科学省科学研究补助金 (JP17K15183、JP18H05295、JP18H02426) 和日本科学技术振兴机构 (JST) ERATO“野村人口微生物控制项目”(JPMJER1502) 的部分支持。
研究内容
这次，我们花了五年的时间，从南关东气田的地质水和沉积物样本中分离培养了菌株RT761，这是一个新门类的新菌种。由于该门是细菌分类层次中最高的，因此该菌株的新颖性极高，可以说是一个重要的分类结果。此外，迄今为止，RT761菌株及其相关物种仅在深海沉积物、温泉、油田、甲烷发酵罐等无氧环境中作为遗传信息被广泛发现。特别是，在甲烷水合物分布的深海海底沉积物中发现了代表环境的未培养细菌物种，阐明该细菌群在甲烷水合物和地下天然气资源形成中所起的作用引起了极大的兴趣。
当我们使用透射电子显微镜观察RT761菌株的细胞内结构时，革兰氏阴性菌相同的细胞膜结构外（外膜和细胞膜），细胞内还有另一层膜覆盖着基因组 DNA（图 1）。利用荧光显微镜成像技术研究细胞分裂过程中基因组DNA的定位（图2A），我们发现基因组DNA的两半（图2B，蓝色）都被细胞内膜覆盖（图2B，红色）。非常令人惊讶的结果是，在原核RT761株的细胞中观察到了可以说是真核生物特征的“包裹基因组DNA的细胞内膜”。
图1 RT761株细胞内部结构
细胞内膜（箭头）包围着基因组 DNA (N)。
图2 RT761菌株细胞中定位的基因组DNA
(A) 细胞正在进行分裂。与细胞膜位置相对应的细胞轮廓由白线表示。
(B) (A) 细胞的脂膜（红色；红线轮廓）和基因组 DNA（蓝色）染色。
为了更详细地观察细胞内膜结构，天游线路检测中心场发射冷冻电子显微镜JEM-Z300FSC (CRYO ARM™300) 以世界最高水平的分辨率观察接近自然状态的细胞，并将其三维可视化，并确认 RT761 菌株具有三个独立的膜（图 3）。
生命活动的基本方式很可能与已知细菌不同，例如分布遗传信息的基因组DNA的复制发生在细胞内的局部空间，以及驱动生命活动的蛋白质有可能在与DNA复制位点物理上分离的空间中合成。对于理解细胞结构和功能的组织以及原核生物（包括细菌）细胞的进化来说，这是一个有趣的发现。
图3 RT761菌株细胞膜结构
(A) RT761菌株的细胞内结构。 (B) 膜结构的放大照片。
(C) 通过从不同角度拍摄 (A) 中的细胞来重建三维结构。细胞内膜（黄色）、细胞膜（蓝色）、外膜（橙色）和核糖体样颗粒（绿色）。
在细胞内膜内部和外部均观察到核糖体样颗粒。
除了其独特的细胞结构外，菌株RT761还被发现具有分解地下有机物并为产甲烷菌提供氢气的能力。这表明以RT761菌株为代表的新门细菌在地下天然气资源形成过程中发挥着重要作用。
官方学名，包括拉丁词“laminatus”，意思是“分层”，基于通过培养 RT761 菌株首次揭示的独特细胞结构Atribacterota（Atribacterota）以及提出门的命名Atribacterota代表门的标准菌株RT761的新属和新种层状三杆菌（Atribacter laminatus）。
这是AIST第三次提议命名一个新的门及其分类下的细菌（第一个案例：AIST 2003年11月10日的新闻稿；第二个案例：AIST 2011年6月1日的新闻稿）。
未来计划
基于这些知识，Atribacterota我们将阐明该门中的细菌在地下深处环境中实际进行哪些活动的细节，包括它们在甲烷生产过程中发挥的作用。它们在细菌进化的早期也出现了分歧Atribacterota我们还将努力阐明导致该门具有独特细胞结构的进化路径。
此事的联系信息
国立产业技术综合研究所
- 日本地质调查所地圈资源环境研究部地圈微生物研究组
首席研究员片山康树
茨城县筑波市东 1-1-1 中央 7 号，邮编 305-8567
电话：029-849-1537、传真：029-862-6048
电子邮件：katayamat[at]aistgojp - 生物过程研究部、生物资源信息基础设施课题组
研究员 Yu Nobu
茨城县筑波市东 1-1-1 中央 6 号，邮编 305-8566
电话：029-861-3560 传真：029-861-6587
电子邮件：mnobu[at]aistgojp - 生物过程研究部、生物资源信息基础设施课题组
研究组组长玉木英之
茨城县筑波市东 1-1-1 中央 6 号 305-8566
电话：029-861-6592 传真：029-861-6587
电子邮件：tamaki-hideyuki[at]aistgojp
*请将[at]更改为@。
采访柜台
- 国立产业技术综合研究所
公共关系部新闻室
茨城县筑波市梅园中央 1 1-1-1 305-8560
筑波总部/信息技术联合研究大楼9楼
电话：029-862-6216 传真：029-862-6212
电子邮件：hodo-ml[at]aistgojp - 日本电子有限公司
管理战略办公室、企业传播办公室、公共关系/品牌组
东京都昭岛市武藏野 3-1-2 196-8558
电话：042-542-2106、传真：042-546-9732
电子邮件：ir[at]jeolcojp - 国家研究开发机构日本科学技术振兴机构公关部
东京都千代田区四番町 5-3 102-8666
电话：03-5214-8404 传真：03-5214-8432
电子邮件：jstkoho[at]jstgojp - [关于 JST 项目]
内田信宏
日本科学技术振兴机构研究项目推进部
7 K's 五番町，东京千代田区 102-0076
电话：03-3512-3528 传真：03-3222-2068
电子邮件：eratowww[at]jstgojp
*请将[at]更改为@。
术语解释
- 门
生物分类中的分类类之一。
细菌从最高到最低分为门、纲、目、科、属和种。根据最高分类门，细菌种类可分为 33 个门。除此之外，还有 78 个其他“候选门”，它们不存在培养菌株，并且只能从直接从环境中获得的基因序列进行系统发育识别。
（基因组分类数据库，https://gtdbecogenomicorg/)
由于无法栽培，其特性很大程度上未知，其种类也尚未确定。这次我们能够培养的 RT761 菌株Atribacteria属于候选门，暂定学名为（Atribacteria），这次Atribacterota - 原核生物/真核生物
生物体大致分为原核生物和真核生物。
原核生物包括细菌和古细菌。在原核细胞中，保存遗传信息的 DNA 没有被膜（核膜）覆盖，而是原样存在于细胞内。另一方面，包括人类在内的真核细胞的 DNA 存在于称为细胞核的结构内，该结构被双层膜（核膜）覆盖。
除了细胞核外，它们还有各种细胞器，例如线粒体，可以产生能量，并且结构复杂。 - 甲烷水合物
由天然气的主要成分甲烷和水分子组成的冰状物质称为甲烷水合物。
甲烷水合物估计大量存在于日本周边海域，有望被用作能源。微生物产生的甲烷不仅存在于天然气和油田中，而且还存在于甲烷水合物中。 - 革兰氏阴性菌
细菌根据其膜的特性大致分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。
革兰氏阴性细菌有一层薄薄的肽聚糖层和外面的外膜。另一方面，革兰氏阳性细菌具有厚的肽聚糖层并且没有外膜。严格来说，它被定义为革兰氏染色法中结晶紫染色脱色的细菌。 - 场发射冷冻电子显微镜
场发射冷冻电子显微镜是一种可以在冷冻状态下观察快速冷冻细胞和生物分子（细菌、纯化蛋白质、病毒等）的方法和设备。装置中安装的场发射电子枪产生高度相干的电子束，使得观察高分辨率、高对比度的透射电子显微镜图像成为可能。
相关链接
- 国立产业技术综合研究所
网站：https://wwwaistgojp/
- 国家研究开发机构日本科学技术振兴机构
网站：https://wwwaistgojp/
- 产品信息
JEM-Z300FSC (CRYO ARM™300) 场发射冷冻电子显微镜
