真核細胞内で窒素を固定できる小器官が発見されたというニュースに驚きを感じませんか？現代の生物学の常識を覆すこの発見は、農業や生態系への新たな可能性を開くかもしれません。
現代の生物学教科書では、大気中の窒素を生命が利用可能な形に変換できるのはバクテリアのみとされています。窒素を固定する植物（例えばマメ科）は、根粒に共生するバクテリアを利用してこの能力を得ています。しかし、最近の発見はこの常識を覆すものです。国際的な科学者チームが、真核細胞内で初めて発見された窒素固定性オルガネラについてCellとScienceに発表しました。このオルガネラは、原核細胞が真核細胞に取り込まれ、共生を超えてオルガネラに進化する過程である一次共生の4番目の例です。
「このようなオルガネラが生まれるのは非常に稀です」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の博士研究員であるタイラー・コール博士（Tyler Coale, PhD）は語ります。「最初にこれが起きた時、それが全ての複雑な生命の起源となりました。バクテリア細胞よりも複雑なものは全てこの出来事に由来します」と、ミトコンドリアの起源に言及して説明しています。「約10億年前には、これが再び起こり、植物をもたらしました」とコール博士は続けました。
3つ目の既知の例は、葉緑体に似た微生物に関わるものでした。今回の新発見は、窒素固定能を持つオルガネラの初めての例であり、研究者らはこれを「ニトロプラスト（nitroplast）」と名付けました。
数十年にわたる謎
このオルガネラの発見は、少しの運と数十年にわたる研究の成果でした。1998年、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の海洋科学名誉教授であるジョナサン・ツェアー（Jonathan Zehr）は、太平洋の海水中に未知の窒素固定性シアノバクテリアからのものと思われる短いDNA配列を発見しました。ツェアー教授と同僚は、この謎の生物「UCYN-A」を何年も研究し続けました。
同時に、高知大学の古生物学者である萩野 恭子博士（Kyoko Hagino, PhD）は、海洋藻類の培養に取り組んでいました。それはUCYN-Aの宿主生物であることが判明しました。300回以上のサンプリング遠征と10年以上をかけて、萩野博士は藻類の培養に成功し、他の研究者がUCYN-Aとその宿主藻類を実験室で一緒に研究できるようになりました。
何年もの間、科学者たちはUCYN-Aを藻類と密接に関連する内共生体と見なしていました。しかし、最近の2つの論文は、UCYN-Aが共生を超えて進化し、オルガネラの基準に適合することを示唆しています。
オルガネラの起源
2024年3月28日にCellに発表された論文で、ツェアー教授とマサチューセッツ工科大学、バルセロナのInstitut de Ciències del Mar、ロードアイランド大学の研究者らは、UCYN-Aとその宿主である海洋ハプト藻Braarudosphaera bigelowiiのサイズ比が異なる種間で類似していることを示しました。オープンアクセスのこのCell論文は「Metabolic Trade-Offs Constrain the Cell Size Ratio in Nitrogen-Fixing Symbiosis（代謝トレードオフが窒素固定共生における細胞サイズ比を制約する）」と題されています。
研究者らはモデルを使用して、宿主細胞とUCYN-Aの成長が栄養交換によって制御されることを示しました。彼らの代謝はリンクしており、この成長率の同期はUCYN-Aを「オルガネラのようなもの」と呼ぶ理由となりました。
「これはまさにオルガネラで起こることです」とツェアー教授は言います。「ミトコンドリアや葉緑体を見れば同じことがわかります。それらは細胞と一緒にスケールします」。
しかし、研究者らは他の証拠を確認するまでUCYN-Aを自信を持ってオルガネラと呼ぶことはありませんでした。Scienceに掲載されたカバー記事で、ツェアー教授、コール博士、ケンドラ・ターク-クボ（Kendra Turk-Kubo）、ウィング・クアン・エスター・マック（Wing Kwan Esther Mak）らが、UCYN-Aが宿主細胞からタンパク質を輸入することを示しました。このScience論文のタイトルは「Nitrogen-Fixing Organelle in a Marine Alga（海洋藻類における窒素固定オルガネラ）」です。
「これは内共生体がオルガネラに進化する際の特徴の一つです」とツェアー教授は言います。「彼らはDNAの一部を捨て始め、ゲノムはますます小さくなり、母細胞からこれらの遺伝子産物、つまりタンパク質自体を輸送してもらうようになります」。
コール博士は、この研究のプロテオミクスを担当しました。彼は、分離されたUCYN-A内のタンパク質を宿主藻類全体の細胞で見つかったタンパク質と比較しました。彼は、宿主細胞がタンパク質を作り、それらに特定のアミノ酸配列をラベル付けし、それがニトロプラストに送られるように指示していることを発見しました。ニトロプラストはそのタンパク質を輸入して使用します。コール博士は、いくつかのタンパク質の機能を特定し、それらがUCYN-A内の特定の経路のギャップを埋めることを確認しました。
「これは実際にぴったり合う魔法のジグソーパズルのようなものです」とツェアー教授は言います。
同じ論文で、UCSFの研究者らはUCYN-Aが藻類細胞と同期して複製され、他のオルガネラのように継承されることを示しました。
視点の変化
これらの独立した証拠により、UCYN-Aが共生体の役割を超えて進化したことに疑いの余地はほとんどありません。そして、ミトコンドリアや葉緑体が何十億年も前に進化した一方で、ニトロプラストは約1億年前に進化したと見られており、オルガネラの進化に関する新しい、より最近の視点を提供します。
このオルガネラはまた、海洋生態系への洞察も提供します。全ての生物は生物学的に利用可能な形の窒素を必要とし、UCYN-Aは大気中の窒素を固定する能力で世界的に重要です。研究者らはそれを熱帯から北極海まであらゆる場所で見つけ、かなりの量の窒素を固定していることがわかっています。
「これは単なるもう一つのプレイヤーではありません」とツェアー教授は言います。
この発見は農業にも変革をもたらす可能性があります。大気中の窒素からアンモニア肥料を合成する能力により、農業および世界人口は20世紀初頭に飛躍的に発展しました。ハーバー・ボッシュ法として知られるこのプロセスは、世界の食糧生産の約50%を可能にしています。また、このプロセスは大量の二酸化炭素を生成し、世界の排出量の約1.4%を占めています。何十年も研究者らは、自然な窒素固定を農業に組み込む方法を見つけようとしてきました。
「このシステムは窒素固定に関する新しい視点を提供し、そのようなオルガネラを作物植物に導入する手がかりを提供するかもしれません」とコール博士は言います。
しかし、UCYN-Aとその藻類の宿主に関する多くの疑問はまだ解決されていません。研究者らは、UCYN-Aと藻類がどのように機能するかをさらに詳しく調べ、異なる株を研究する予定です。
ケンドラ・ターク-クボ（Kendra Turk-Kubo）准教授（UC Santa Cruz）は、新しい研究室でこの研究を続ける予定です。ツェアー教授は、UCYN-Aと同様の進化的ストーリーを持つ他の生物が見つかると予想していますが、この発見はその第一例として教科書に記載されるものです。
UCYN-Aの発見は、窒素固定に関するこれまでの常識を覆すものです。この真核細胞内の窒素固定性オルガネラは、農業や海洋生態系の理解に新しい視点をもたらします。ミトコンドリアや葉緑体に続く4番目の一次共生の例として、この発見は生物学の教科書にも載る重要なものです。今後の研究で、さらに多くの謎が解明されることを期待しましょう。
