日本理化学研究所生物资源研究中心微生物材料开发室高级研究员加藤慎吾、主任守谷大隈和米乐m6官方网站地圈资源环境研究所地圈微生物研究组金子正树研究组组成的联合研究小组，建立了尺寸为数百纳米（纳米，1纳米是十亿分之一米）的专性寄生系统，在有氧条件下很容易培养纳米古生菌（古生菌）[1]已成功转化为资源。
这项研究成果不仅有望为以“微生物暗物质”（功能未知的未培养微生物的总称）为代表的寄生或共生纳米古菌的进一步培养和资源利用提供立足点，而且有助于阐明纳米古菌神秘的生态作用和早期生命的进化过程。
这次，联合研究小组成功从日本的酸性温泉中培养出细胞大小为数百纳米的纳米古菌。有人认为，这种纳米古菌使用了一种前所未有的繁殖方法：它附着在宿主古菌的细胞表面，在细胞膜上打一个洞，然后从那里吸出细胞质。
联合研究小组将开发这种纳米古菌嗜气纳米菌，并根据国际原核生物命名法将其提议为新属、新种，并得到正式认可。由于这种纳米古菌可以在有氧条件下生长，因此可以在普通研究设施中轻松培养，有望在未来广泛用作模式生物。
这项研究发表在科学杂志“国际系统与进化微生物学杂志''以网络版发布（日本时间8月22日）。
附着在宿主古菌（中）细胞表面的寄生纳米古菌（左侧两个小细胞）
地球表面的环境充满了细菌和古细菌等看不见的微生物，它们的尺寸很小，只有 1 微米（μm，1 µm 是百万分之一米）。其中，据说最小的微生物，大小为数百纳米，占所有微生物种类的15%以上。然而，这些微生物大多尚未在实验室中培养，作为功能未知的“微生物暗物质”的代表而受到关注。
2002年，世界上首次发现了纳米古菌这一微生物，并揭示其在原核生物最高分类群门的层面上是新颖的，震惊了全世界的研究人员。从那时起，已经报道了几种微生物培养物，但只有一种来自印度尼西亚的微生物已作为公开资源发布。注1)，没有国货。培养微生物并将其转化为资源对于确保支持科学进步的“可重复性”极其重要。
在这项研究中，我们试图培养生活在日本的微生物并将其转化为资源，以进一步了解微生物。
注1) 2022年1月17日新闻稿“成功培养属于DPANN组的难以培养的古细菌”
极少量的微生物存在于世界各地的各种环境中，包括土壤、地下水和温泉。高级研究员加藤慎吾（Shingo Kato）和他的同事一直试图在栃木县的酸性温泉中寻找微生物，并实际上成功地培育出了一种高度新颖的古细菌。注2)通过对温泉的研究，已经使用不依赖培养的分子生物学方法证实了这种环境中纳米古菌的存在。通过对温泉水的化学分析和微生物群落分析，推测生活在该温泉中的纳米古菌是一种好氧物种，即使在有氧的情况下也能生长。因此，我们以该温泉水为接种源，进行了有氧条件下的培养实验。
开始培养约一周后，当使用高倍光学显微镜观察培养液时，发现尺寸为 200 至 300 nm 的更小的颗粒附着在 1 µm 大小的普通微生物细胞上（图 1）。遗传分析表明，除了通常栖息在酸性温泉环境中的嗜热嗜酸古菌之外，这种培养液还含有新的纳米古菌。通过进一步稀释和传代该培养液，我们成功建立了仅含有一种嗜热嗜酸古菌MJ1HA菌株和一种纳米古菌MJ1菌株的培养系统。
将Nanoarchaea MJ1和MJ1HA菌株用不同颜色染色并在荧光显微镜下观察，证实MJ1HA细胞周围附着的颗粒是Nanoarchaea MJ1（图1）。 MJ1HA 菌株的细胞大小直径为 08 至 16 μm，而纳米古菌 MJ1 菌株的直径仅为约 200 nm。微生物通常在放大倍数为200至400倍左右的显微镜下观察，但在这样的放大倍数下，甚至无法识别出Nanoarchaea MJ1菌株的存在，因此通过将放大倍数提高到1000倍，他们终于能够识别出其形状。
图1 Nanoarchaea MJ1菌株和宿主Archaea MJ1HA菌株的显微图像
同一视场的（A）微分干涉显微镜图像和（B）荧光显微镜图像。在 B 中，两个单元格均呈绿色。较大的细胞是宿主古菌 MJ1HA 菌株，附着在其周围的较小细胞是纳米古菌 MJ1 菌株。 (C) 使用相差显微镜观察到的图像。 (D-F) 荧光显微镜图像。 Nanoarchaea MJ1 菌株呈红色，宿主 Archaea MJ1HA 菌株呈绿色。
注2) 2019年6月11日新闻稿“成功分离和培养难以培养的古细菌（archaea）”
我们进行了各种培养实验，但无法单独确认 Nanoarchaea MJ1 菌株的生长。我们还尝试与MJ1HA菌株以外的古细菌共培养，但我们无法确认纳米古细菌MJ1菌株的增殖。因此，为了使 Nanoarchaea MJ1 菌株增殖，宿主 MJ1HA 菌株的存在被认为是必需的。对培养特性的详细研究表明，Nanoarchaea MJ1菌株和宿主菌株MJ1HA都在65-70℃和pH 25左右的最佳条件下生长。
当我们在 Nanoarchaea MJ1 菌株和宿主 MJ1HA 菌株的共培养系统中监测各菌株随时间的生长情况时，我们发现在培养早期，Nanoarchaea MJ1 菌株的生长抑制了宿主 MJ1HA 菌株的生长，但之后证实它们都缓慢增殖（图 2）。另一方面，宿主MJ1HA菌株即使在不存在纳米古菌MJ1菌株的情况下也能够独立生长，并且没有观察到与纳米古菌MJ1菌株共培养时观察到的培养早期的生长抑制。
图2 Nanoarchaea MJ1菌株和宿主Archaea MJ1HA菌株的生长曲线
在仅含有宿主古菌 MJ1HA 菌株（红色）的纯培养系统以及含有 Nanoarchaea MJ1 菌株和宿主古菌 MJ1HA 菌株（绿色和蓝色）的共培养系统中，通过针对 16S rRNA 基因的定量 PCR 显示了每种菌株的生长情况。
接下来，我们确定了 Nanoarchaea MJ1 菌株和宿主 MJ1HA 菌株的全基因组序列。宿主菌株MJ1HA的基因组大小为228兆碱基对（Mbp，1Mbp=100万碱基对），发现它拥有独立繁殖所需的所有基因（图3）。另一方面，Nanoarchaea MJ1菌株的基因组大小极小，仅为067 Mbp，并且表明它几乎不具有生命必需物质生物合成所需的基因，例如形成DNA和RNA的核酸、构成细胞膜的脂质以及能量代谢，例如ATP（所有生物的能量货币）（图3）。该结果与如前所述不能单独培养 Nanoarchaea MJ1 菌株的事实相一致。基因组分析还支持 Nanoarchaea MJ1 菌株通过剥夺宿主 Archaea MJ1HA 菌株的这些生命维持必需物质来生长。
图3 Nanoarchaea MJ1菌株和宿主Archaea MJ1HA菌株的基因组
（左）宿主古菌菌株 MJ1HA 的基因组大小和蛋白质编码基因的数量。它具有在培养实验所用培养基中生长所需的所有基因。圆圈的大小表示与 Nanoarchaea MJ1 菌株的基因组大小相比的相对大小。
（右）Nanoarchaea MJ1 菌株的基因组大小和蛋白质编码基因的数量。虽然存在参与DNA复制、转录和翻译以及细胞分裂的基因，但它们不具有合成生命维持必需物质（核酸、脂质、氨基酸、ATP等）的基因。
那么，Nanoarchaea MJ1 菌株是如何从宿主那里窃取这些物质的呢？为了回答这个问题，我们立即凝固了附着有 Nanoarchaea MJ1 菌株和宿主 MJ1HA 菌株的细胞，用液氮制备超薄切片，并使用透射电子显微镜观察切片（图 4）。从观察到的图像来看，纳米古菌菌株 MJ1 似乎在宿主菌株 MJ1HA 的细胞膜上形成一个洞，并从那里吸出细胞质。这种类型的观察以前从未有过报道，通过这项研究，我们能够提供强有力的证据来表明纳米古菌令人惊讶的生活方式。
图4 超薄切片电镜图像
（左）照片左上角的小型 Nanoarchaea MJ1 菌株附着在宿主 Archaea MJ1HA 菌株上。由于宿主古菌的细胞质被吸出，可以看到该区域的电子密度变薄。
（右）左照片中红框的放大视图。可以看出，细胞膜的附着点处有孔。
当我们研究构成细胞膜的核心脂质时，在 Nanoarchaea MJ1 菌株中检测到的成分与在宿主 MJ1HA 菌株中检测到的成分相匹配，但我们确认了它们的相对含量存在差异（图 5）。例如，甘油四醚GDGT-5和GDGT-6经常在宿主MJ1HA菌株中检测到，但在纳米古菌MJ1菌株中几乎没有检测到。该结果表明，Nanoarchaea MJ1菌株从宿主MJ1HA菌株中窃取了构成膜的脂质成分，但选择性地使用了GDGT-3和GDGT-4。
图5 Nanoarchaea MJ1菌株和宿主Archaea MJ1HA菌株细胞膜的核心脂质成分
（左）提取的核心脂质的色谱图。从顶部开始，结果为从含有 Nanoarchaea MJ1 菌株和宿主 Archaea MJ1HA 菌株的共培养系统收集细胞的样品、从宿主 Archaea MJ1HA 菌株的纯培养系统收集细胞的样品、以及从共培养系统仅收集 Nanoarchaea MJ1 细胞的样品。
（右）图表显示基于左侧色谱图结果的每种核心脂质的相对量。 ArOH：古菌。 GDGT：甘油二烷基甘油四醚。 GDGT后面的数字表示类异戊二烯链中包含的五元环的数量。
基于基因组序列的分子系统发育分析表明，Nanoarchaea MJ1 菌株是一种 Nanoarchaea，据报道于 2002 年在海底热液区培养，属于最小的古细菌之一纳米古菌相关性比较密切。以及据报道从陆地温泉培育的物种（图 6）。迄今为止报道的所有纳米古菌都是厌氧的，因此纳米古菌 MJ1 菌株是世界上第一个报道的需氧纳米古菌的例子。另一方面，从盐田报道的Nanohaloarchaea和从温泉和废弃矿井水中报道的Microcaldoarchaea在需氧和专性寄生或共生方面都与Nanoarchaea菌株MJ1相似，但已证实它们在门水平上是不同的系统发育类群（图6）。
图6系统发育树显示了Nanoarchaea MJ1菌株的系统发育位置
基于 122 个标记蛋白序列的比对，使用最大似然法创建的分子进化树。请注意，日语中显示的团体名称是通用名称。
迄今为止报道的最少微生物包括，例如纳米古菌目前，该物种还没有被正式承认为学名。因此，联合研究小组开发了Nanoarchaea MJ1菌株嗜气纳米菌''并根据国际原核生物命名法将其提议为新属和新种。作为一个更高的分类群，一个新的科纳米藻科，新眼睛纳米目，新绳子纳米菌被提出并得到官方认可。这一结果标志着世界上首次在包括微古菌甚至微生物在内的微生物中获得正式的学名。纳米古菌 MJ1 菌株（=JCM 33616T) 和宿主古生菌 MJ1HA 菌株 (=JCM 33617) 由 RIKEN 微生物材料开发办公室 (JCM) 维护，作为每个研究机构可用的微生物资源。
在这项研究中，我们在世界上首次成功培养了可以在有氧条件下生长的专性寄生纳米古菌，并将其转化为资源。 Nanoarchaea MJ1菌株可以在一般研究设施中轻松培养，无需特殊设备或技术，因此预计未来将利用该菌株作为实验材料通过实验阐明各种新的生命现象。此外，这些实验揭示的纳米古菌的生理特性将有助于促进微古菌的进一步培养和资源利用。
专性寄生或共生的最小古菌可以被视为介于普通单细胞生物和病毒之间的生命形式，并且由于它们被认为是从分子树的根部分化出来的，因此它们被认为保留了早期生命的强烈印记。此外，虽然已揭示暗物质在地球上广泛存在，但其中大部分是尚未培育出来的“微生物暗物质”，其生态作用很大程度上未知。以此结果为跳板，我们希望通过阐明微观古菌的生理学和生态学细节，为理解生命的早期演化和全球物质循环做出贡献，也为解决“什么是生命？”的根本之谜提供线索
<标题>
嗜气纳米菌一代。十一月sp。十一月，嗜热嗜酸，专性外共生古菌，以及纳米藻科家人。十一月，纳米目命令。十一月，和纳米菌类。十一月
<作者姓名>
加藤慎吾、小笠原绫香、伊藤隆、酒井宏之、清水满、由纪正宏、金子正典、高品智则、大隈守也
＜杂志＞
国际系统与进化微生物学杂志
＜DOI＞
101099/ijsem0005489
RIKEN生物资源研究中心微生物材料开发办公室
高级研究员加藤慎吾
特聘研究员伊藤隆
技术人员 I Michiru Shimizu
特别研究员（研究时）酒井宏之
开发研究员（研究时）Masashiro Yuki
大隈守矢队长
米乐m6官方网站地圈资源环境研究部地圈微生物研究组
与 Masanori Kaneko 研究小组合作
东洋大学生命科学研究生院生命科学系
研究生小笠原彩香
高科智则副教授
这项研究得到日本学术振兴会 (JSPS) 创新领域科学研究补助金（研究领域提案类型）《解开超级地球生命形式的后科赫生态学（领域代表：高谷直树）》、《后科赫微生物资源的根本开发（研究代表：守谷）》的支持Okuma）”，以及 RIKEN 跨学科项目。这项工作得到了发酵研究所研究补助金“纳米古菌的检测和培养菌株的建立”（首席研究员：伊藤隆）和“日本温泉地区嗜热古菌的地理分布、系统发育多样性和生理功能的阐明”（首席研究员：加藤慎吾）的支持。