米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）、地圈资源与环境研究部片山靖、生物过程研究部高级首席研究员、副研究主任玉木英行等、国家研究开发机构、日本海洋地球科学技术机构、信正。我们与主要研究人员和日本电子株式会社合作，从国内天然气田地下深处的沉积物和地质水中成功培养出一种新细菌（命名为菌株IA91），并揭示了一种在能源贫乏的极端环境下生存的巧妙的节能生存策略。
IA91菌株属于“海洋A组”，广泛栖息于世界各地的海洋和无氧环境中。我们花了大约四年的时间来培养这种细菌，并且是世界上第一个成功分离出这组细菌的人。我们发现菌株 IA91 具有一种生态学，可以将细胞壁（与细胞生存直接相关的重要细胞成分）的合成委托给其他细菌，从而显着减少细胞构建所需的能量。此外，据推测，这种新的节能技术也存在于海洋A群的共同祖先中，这表明它是在能源匮乏的缺氧环境中生存的有效特性。这个结果远远超出了“物种”的分类类别。门水平的新型细菌，我们部分阐明了微生物如何在地下深处等极端环境下维持生命的基本问题。
这项研究的详细信息将于 2024 年 6 月 3 日发布。自然微生物学
由于微生物无法用肉眼观察，为了了解它们的特性，需要在实验室中培养和生长它们。然而，生活在地球上各种环境中的微生物绝大多数无法人工培养。通过培养未知的、未培养的、未使用的微生物并阐明其性质，我们可以了解支持地球生命的环境微生物的活动，并获得保护地球环境和安全高效利用地球资源的重要知识。例如，了解地下环境中的微生物活动有望促进天然气资源的利用和新微生物资源的开发。
在地下沉积环境中，微生物将有机物转化为甲烷，并以天然气的形式储存。为了阐明天然气和油田中微生物的活动，日本产业技术研究院地质调查所和生物技术部正在合作研究。针对微生物如何在地下环境中运作的科学问题，与地表环境相比，微生物活动所需的能源极其缺乏，我们认为极端环境下微生物之间的相互作用是关键，因此我们收集并利用天然气田和地质地层水中的沉积物来培养未知的地下细菌。
这项研究得到了文部科学省科学研究补助金的部分支持。
这次，通过利用微生物之间相互作用的战略培养方法，我们成功地从地下沉积物和国内天然气田的地质水中培养出了新的门细菌菌株 IA91。 IA91株の完全なゲノム配列の解析により、このバクテriaがMarine Group A（别名、SAR406、加利福尼亚Marinimicrobia）的未培养群体（相当于分类层次中的“门”）。这是AIST在世界上第四次培育出代表新门的标准细菌菌株（案例1至3：2003 年 11 月 10 日 AIST 新闻稿、AIST 新闻稿 2011 年 6 月 1 日、2020 年 12 月 14 日 AIST 新闻稿）。 1993年通过遗传信息分析证实了海洋A群的存在，已知其广泛栖息于世界各地的海洋和无氧环境（地下和沉积环境）。然而，这组细菌从未在实验室中培养过，从基因的发现到培养菌株的获得，大约有30年的时间，它们的生物学特性仍未被阐明。
10948_11222膨胀压力使细胞变成球形。这表明IA91菌株不能合成自己的细胞壁，而是通过摄取其他细菌的培养基中含有的细胞壁成分来形成杆状细胞并增殖。事实上，当细胞壁被染色时，在杆状细胞中检测到细胞壁，但在球形细胞中检测不到细胞壁（图1）。此外，当我们检查菌株IA91的基因组序列时，我们发现它缺乏合成构成细胞壁的糖和氨基酸所需的基因。因此，在培养实验中，我们给细胞提供了一种物质，该物质已将构成细胞壁的元素分解为糖和氨基酸，但IA91菌株却变形为球形并且没有增殖。唯一导致IA91菌株呈棒状生长的是一种称为胞壁肽（MP）的物质，它是细胞壁的碎片。我们还发现，MP 源自哪种细菌并不重要。一般来说，细菌通过反复合成和分解细胞壁来增殖。此时，已知细胞壁被分解为MP，被带回细胞内并循环用于细胞壁合成。菌株IA91借用了原本会被其他细菌回收的MP，并用它来合成自己的细胞壁（示意图）。
图1 荧光染色照片（上）和冷冻电镜照片（下）显示菌株IA91的细胞形状和内部结构
当细胞壁被染色时，杆状细胞被染色，但球形细胞根本不被染色，这表明它们的形态变化取决于细胞壁的存在或不存在（上）。
场发射冷冻电子显微镜（低温臂
TM300 II) 用于以世界最高水平的分辨率直接观察细胞的细胞壁，接近其自然状态。结果，没有观察到棒状细胞的外膜（OM）和内膜（IM）之间应存在的细胞壁层（下），这表明IA91菌株具有极薄的细胞壁。
如果附近没有增殖的细菌，IA91菌株的球形细胞由于缺乏细胞壁，无法承受膨胀压力，导致细胞膨胀并最终死亡。冒着如此致命的风险，我们能得到什么？根据基因组序列信息推导出的细胞壁合成化学反应路径，计算出通过掺入和使用从其他细菌获得的MP，细胞壁合成所需的能量可以减少70%，而不是从头开始合成细胞壁。此外，据透露，IA91菌株不仅利用进口的MP作为细胞壁以外的细胞成分（例如构成细胞膜的脂肪酸）和能源，而且还利用过程中产生的副产物（乳酸）而不浪费它。
与有氧呼吸相比，缺氧条件下（厌氧环境）发酵は、ごくわずかにしかエネルギーを获得できない借様式です。对于生活在能源稀缺且无法获得氧气的环境（例如地下球体）的细菌（即菌株IA91），上述节能技术被认为对于现实环境中的生存非常有效。基于大规模基因组信息的进化系统分析表明，IA91菌株的MP借用策略可能是该细菌所属的海洋A群的共同祖先也具有的特性。在海洋A群的进化过程中，生活在缺氧和能量匮乏环境中的群体依赖其他细菌来合成细胞壁，而获得呼吸氧气的能力并将活动范围扩大到有氧环境的群体被认为走上了合成自己细胞壁的道路（图2）。
图2海洋A族的进化及细胞壁合成与能量代谢的关系
在源自海洋 A 群共同祖先的五个群体中，大多数 IA91 菌株群（粉红色）和其他两个群体（橙色和绿色）无法合成细胞壁。所有这三个群体也生活在无氧环境中并通过无氧方式获取能量（不使用氧气）。另一方面，黄色和浅蓝色群体可以呼吸氧气并获得足够的能量来合成自己的细胞壁。根据对细胞壁合成相关基因的分析，推测共同祖先（蓝色）具有无氧能量代谢，无法合成细胞壁。对于IA91以外的菌株，使用直接从环境中获得的未培养微生物的基因组序列信息进行分析。
生活在地下圈层的新门细菌IA91菌株的成功培养，揭示了一个不为人知的事实：即使在能源极其匮乏的地下圈层等恶劣环境下，微生物也能通过巧妙大胆的节能策略维持生命并生存下来。同时，这一发现使人们了解微生物活动对地下天然气资源形成的影响。此外，根据这次获得的知识，通过建立利用其他细菌释放的细胞成分培养未知微生物的方法，预计将极大地有助于开发环境中未知的、未使用的和未充分利用的微生物资源。
已出版的杂志：自然微生物学
论文标题：海洋 A 组分离株依赖其他生长的细菌来形成细胞壁
作者：Taiki Katayama、Masaru K Nobu、Hiroyuki Imachi、Naoki Hosogi、Xian-Ying Men、Kana Morinaga、Hideyoshi Yoshioka、Hiroshi A Takahashi、Yoichi Kamagata、Hideyuki Tamaki
DOI：101038/s41564-024-01717-7