東京大学大気海洋研究所 微生物グループ Microbial Oceanography lab, aori utokyo
スプーン一杯の海水から探る地球環境 Explore the microbial world in a drop of seawater
6月30日に渋谷キューズで開催したイベント「OceanDNAテック2021」が、おかげさまで盛況のうちに終了しました。当日はオンラインと会場でのハイブリッド開催でしたが、時節柄か渋谷駅直結という便利な会場立地にも関わらず圧倒的にオンライン参加の多いイベントとなりました。事前登録は300名超で、実際の参加は270名ほどでした。この手のワークショップとしては、まずまずの集客ではなかったかと思います。大学関係は３割ほどで、民間企業や一般の方に多く参加いただいたようですので、自動化技術の社会実装を目指すワークショップとしては良いアピールができました。
さらに広くアピールするために、録画した動画を公開しました。こうした動画を簡単に公開できるのは、オンラインワークショップならではですね。社会実装に向けて、引き続き情報発信を続けていきます。
研究プロジェクトの成果を、いかにして社会実装するか。新しいチャレンジが始まります。このイベントは，環境中での生物動態をモニタリングするツールとして急速に発展しつつある環境DNA 解析技術について，海洋環境での利用に必要な技術や実践例を企業，行政，学術等の多様な業界の皆さまに広く知っていただくことを目的としています。
イベントウェブサイト：http://ecosystem.aori.u-tokyo.ac.jp/OceanDNAtech/
渋谷QWSイベントサイト：https://shibuya-qws.com/oceandnatech2021
参加申込サイト：https://oceandnatech2021.peatix.com/
私たちの研究室では、環境中での微生物動態を解析するために、従来より海水のフィルターサンプルから抽出したDNAの解析を行ってきました。こうしたアプローチは1990年代に登場し、分子生物学的手法によって微生物の生態を研究する学問として、Molecular Microbial Ecology（分子微生物生態学）と呼ばれてきました。2000年代後半に次世代シーケンサーが登場すると、微生物群集が持つ全DNA配列を対象に網羅的にシーケンスして解析するメタゲノミクスへと発展しています。
次世代シーケンサーによるDNA配列決定の劇的な低コスト化と効率化によって、微生物だけでなく、環境中でのあらゆる生物動態をモニタリングするツールとして環境サンプル由来のDNA配列情報が利用できるようになってきました。環境中に存在する生物由来の細胞（水中では主に表皮からの剥離と糞便に由来）および微生物細胞から抽出回収されるDNAは「環境DNA」と呼ばれ、回収したDNAを解析することによって、現場に生息する生物種の特定や存在割合、多様性の把握に利用することができます。環境DNAによるモニタリングは生物個体そのものを採集しないため、サンプリングが容易でかつ野生生物に負荷の少ない利点があります。
私たちの研究室では、海洋研究開発機構や千葉県立中央博物館などと協力して、海洋における各種生物群（バクテリア，プランクトン，魚など）の動態をモニタリングできる現場型環境DNA自動分析装置と，その周辺技術の開発を行ってきました。これらの技術は、環境保全、環境影響評価、水産資源評価、下水における病原体検出、工場排水や大規模プラントの処理曹における有害微生物検出といった多様な応用展開が想定され、従来の環境調査や資源調査の枠組みを大きく変革すると共に、海洋生物モニタリングへの市民参加を可能とする技術としても注目されます。私たちが目指す社会実装のためには，当技術ニーズの掘り起こしや正確な把握，多様なステークホルダーとの協働体制を整備する必要があり、そのための活動の一環として今回のイベントを企画しました。
多くの方に参加いただけることを期待しています。
文科省プロジェクトで開発中の12連装自動採水装置Autonomous Gene Collector 12（ATGC12）のテストのため、開発者であるJAMSTECの福場博士と一緒に岩手県大槌町にある国際沿岸海洋研究センターに１週間ほど行ってきました。センターの係船場に設置して24時間の動作テストです。詳しくは、これからの分析結果待ちですが、装置の動作は問題なさそうなので、順調に次のステップに行けそうです。今回はグランメーユを出してもらって、大槌湾内での採水も行いました。戻ってからの微生物相解析は特任研究員の後藤さんが担当します。想定したデータが得られるかどうか期待です。
かいめい航海から戻って息つく間もなく、暖かい小笠原から大雪の能登へと今年も行ってきました。日本海側は前週から大雪で、到着した日も吹雪。飛行機も視界不良で着陸できるかもわからないような天気でしたが、翌日からはすっかり穏やかな天気。波の花が発生する気配は全くありません。代わりに海水や海藻などをサンプリングしながら待つこと２日間、その間に体験活動施設「のと海洋ふれあいセンター」を訪問。センターは、九十九湾をはさんで臨海実験施設の向かいにあり、奇しくも職員のお一人は広大時代の研究室OBということで、施設を案内していただき波の花の発生状況なども色々と教えていただきました。ようやく３日目になって、強い南風のおかげで波の花のサンプリングができました。
初めて「かいめい」に乗船しました。11/25に横須賀のJAMSTEC岸壁を出港して、西小笠原海域で2週間ほど調査をして、12/12に父島で下船しました。コロナ流行のためにしばらくはすべての航海が中止されていましたが、夏以降から少しずつ再開されましたので本航海も予定通り乗船することができました。もちろん、乗船前には全員がPCR検査で陰性を確認して、船内でもマスク着用での作業となりました。
本船は、4年前に就航した海底探査を主目的とする最新鋭の研究調査船で、予てから乗船してみたいと思っていましたが、そもそも海底に関する研究をやっていないこともあってなかなか乗船の機会がありませんでした。今回は、深海底の海洋保護区をテーマとする環境省主導のプロジェクトが今年から開始され、そのための調査ということで乗船の機会を得ることができました。主役は、深海底の魚やエビ、サンゴ、海綿といった大型生物ですが、私たちは深海底の堆積物や水を対象としたメタゲノム解析を担当します。
この航海では、私がいつも参加している航海とは違って、無人潜水艇などを使った海底の直接観察にほとんどの時間を費やしましたので、とても新鮮かつ得難い経験でした。本航海では手法開発のための様々なテストに加えて、どんな生物がどこにいるのかを調べる生物マッピングのミッションもありましたので、大学や博物館などから生物分類群ごとの専門家が乗船していました。彼らが、潜水艇から送られてくる映像をリアルタイムで見ながら生物種を特定し、珍しい種があればロボットアームや掃除機のようスラープガンで採集するといった作業が毎日のように繰り返されました。生物学における直接観察の楽しさと重要性を改めて感じた航海でした。
父島では土曜日に下船して、火曜日に出港する「おがさわら丸」で東京に戻りました。
マルチプルコアラーサンプル
「かいめい」と「おがさわら丸」
後藤周史博士（特任研究員）の前所属での研究成果がFrontiers in Microbiology誌からリリースされました。
海洋中には、大気中の二酸化炭素総量に匹敵する溶存有機物（DOM）が溶け込んでおり、地球規模の炭素循環において重要な役割を果たしています。DOMは、放射性炭素年代の測定結果から、驚くべきことにその平均寿命は約2000〜6000年と推定されており、その90％以上が寿命約15000年と推定される難分解性画分であると考えられています。こうした難分解性DOM（RDOM）の動態は、比較的長い時間スケールでの地球規模の炭素循環を考える上で極めて重要ですが、その起源や生成メカニズムは十分に理解できていません。
この論文は、海洋に長期貯蔵される難分解性DOMの細菌による生成を、海洋細菌単離株の培養実験により定量的に評価した研究です。この研究で使用した細菌株は、Alteromonas macleodii, Vibrio splendidus, and Phaeobacter gallaeciensisという海洋で一般的にみられる細菌株で、特に沿岸域で活発に増殖がみられる種です。海水にグルコースと無機態窒素、リンを加えて、これらの細菌が増殖する過程を１〜３週間モニターし、難分解性有機物の生成量や生成パターンを比較しています。その結果、炭素換算のDOM生成効率が高い細菌が存在する事、難分解性だと考えられる腐植様FDOMは幅広い細菌により生成される事、対数増殖期よりも定常期でより効率的に腐植様FDOMを生成する事が明らかになりました。
これまでの研究から、細菌がグルコースのような単純な物質を利用する過程で、難分解性の有機物が生成されることは知られており、今回の研究でもこれを支持する結果となりました。今回はこれに加えて、細菌種の違いにより、難分解性DOMの生成量が大きく変動することがわかりました。このことは、実際の環境中での細菌種組成の違いや環境条件の違いが難分解性DOMの生成量に影響することを示唆しています。
今後はそうした違いがどのようなメカニズムによって生じているのか、これらの細菌の代謝ポテンシャルの違いや、生成される有機物の化学種の特定に踏み込んだ研究に展開していくととても面白いですね。
今週月曜日（7月13日）、元特任研究員の崔英順博士による硫化ジメチル（DMS）生成細菌に関する論文がFrontiers in Microbiology誌でオンラインリリースされました。太平洋外洋域での研究（Cui et al. 2015）、三陸沖での研究（Nagao et al. 2018）に続く、DMS関連研究の第三弾です（三陸沖での研究については、以前のブログもどうぞ）。メソコズム実験とフィールド調査を合わせた共著者16名による大作で、最後はネットワーク解析まで駆使してまとめた苦心の作です。メソコズム実験が2010年、フィールド調査が2013-14年ですから、ようやく形にできてとても嬉しいですし、面白い論文になりました。メソコズム実験では、先日相模湾で25年ぶりに見られた円石藻のブルームを人為的に発生させて、珪藻ブルームと比較するという面白い実験をやっていますし、フィールド調査では親潮系水と津軽暖流系水の違いがDMS生成細菌の動態に綺麗にリンクしているデータが示されています。より詳しい研究の内容については、研究所の研究トピックで紹介しています。
バクテリアによるDMSP代謝経路と雲生成への影響
メソコズム実験：200Lタンク4基を屋外水槽に入れて温度を一定に保つ（右）数日後に植物プランクトンが大増殖し緑色に変化したタンク内の海水（左）
DMSP代謝関連遺伝子と環境要因の相関ネットワーク図：機能遺伝子単位でのまとまりが見られる。実線は正相関、破線は負相関を示す。水温と正相関を示すdmdA遺伝子群は津軽暖流の影響を強く受けており、水温や塩分と負相関でクロロフィル濃度と正相関を示すdddDとdddP遺伝子は親潮の影響を受けていると考えられる
5月初旬から相模湾で円石藻のブルーム（大増殖）が発生しています。葉山や江ノ島の海がエメラルドグリーンになっているということで、みんな不思議に思っていたようです。横浜国立大学臨海環境センターの下出先生のグループが調査をされて、Gephyrocapsa oceanicaという種類の円石藻ブルームで間違いなさそうとのことです。日本周辺海域のプランクトンブルームとしてはとても珍しい現象なのですが、本格調査ができないのが非常に残念です。
円石藻はその名前の通り、細胞の周りに円盤状の殻を持っている植物プランクトンです。この円盤が貝殻と同じ炭酸カルシウムでできているので、大量に増えると海に白いチョークを流したような状態になります。ちょうど白砂のビーチと同じような反射具合となって、海全体が少し濁った青緑色になります。大規模なブルームになると、宇宙からも海の色が変わっているのが見えます。殻の重みで深層に沈降しやすいことから、海の二酸化炭素吸収に重要なプランクトンとされており、硫化ジメチルという有機硫黄ガスの発生源になることで大気プロセスにも影響を及ぼすことが知られています。また、ドーバー海峡のWhite Cliffsは太古の昔に円石藻の殻が海に積もってできたものです。
教科書的な知識で、大西洋やベーリング海での大規模ブルームの発生は知っていましたが、日本沿岸域での発生は聞いたことがありませんでした。調べてみると、1995年5月に東京湾から相模湾にかけて大規模なブルームが発生したことが報告されていますし、2000年代には博多湾で繰り返し発生したと報告されています。横国の臨海環境センターでは、1995年から現在まで相模湾真鶴半島沖で月例の定点調査が行われていますが、今回のような円石藻ブルームが観測されたことはありませんので、実に25年ぶりの珍しい現象ということになります。
5月20日 国府津沖の海色変化
先日、スプリンガー・ネイチャー社から表題の本が刊行されました。筑波大学下田臨海実験センターの稲葉先生らによる編集で、留学生向けの臨海実習の教科書として企画されたものです。本書の中のコラムの一つとして、Marine Microbesと題する小文を書かせていただきました。Overview, Roles in marine ecosystems, Diversity, Metagenomics, Microbiomeといったサブタイトルで、海洋微生物研究の現状を紹介しました。本書を利用する実習生が微生物に目を向けるきっかけになればいいなと思います。
白鳳丸が５ヶ月ぶりに東京に帰ってきました。私たちの研究チームが採取した大量の微生物分析用のサンプルも戻ってきましたので、これから解析が始まります。４ヶ月を超える全レグ乗船の強者２名のおかげもあり、これまでほとんど調査例がない、南太平洋東部のサンプルに加えて、南大洋の大西洋セクターからインド洋セクターまで、今回のほぼ全航路に沿ったを海域を網羅する表層海水と大気サンプルからどんなデータが出てくるのか楽しみです。