フォスファイトの謎：25億年前のエネルギー源が現代の研究で明らかに

この間に、その紙は引き出しの中に残り、研究アプローチは後回しにされました。しかし、その考えは科学者の頭から離れることはありませんでした。その科学者は、ドイツのコンスタンツ大学のリムノロジー研究所のベルンハルト・シンク教授（Bernhard Schink）です。彼が紙に計算を行ってから約3０年後、思いがけない発見が再び事態を動かし始めました。

下水処理場での予想外の発見と新種の微生物

長年頭の中で温めていたものが、最終的に見つかりました。なんと、コンスタンツの下水処理場で、ベルンハルト・シンク教授（Bernhard Schink）の研究室から数キロメートルの場所でした。コンスタンツ大学の生物学博士研究者である朱慶茂（Zhuqing Mao）が下水汚泥のサンプルを調べ、フォスファイトからエネルギーを得る第二の微生物を発見しました。コンスタンツ大学の生物学者らを率いるシンク教授は、このバクテリアを、唯一の食物源としてフォスファイトのみを与えられた環境に置きました。そして実際に、バクテリアの個体群は成長しました。

「このバクテリアはフォスファイトの酸化によって生存しており、我々が知る限りではこの反応のみでエネルギー代謝を行っています。このようにして、同時にCO2から細胞物質を構築できます」とシンク教授は説明します。「このバクテリアは植物のような光合成生物ですが、植物とは異なり、光ではなくフォスファイトの酸化からエネルギーを引き出します。」驚くべきことに、このバクテリアは新種だけでなく、実際には全く新しい細菌の属を形成していました。

分子メカニズムの追跡

そこから物事は急速に進展しました。シンク教授、ニコライ・ミュラー氏（Nicolai Müller）、デイビッド・シュレヘック氏（David Schleheck）、ジェニファー・フレミング氏（Jennifer Fleming）、オルガ・マヤンズ氏（Olga Mayans）を含むコンスタンツ大学の研究者ネットワークが、この謎を解き明かすために尽力しました。彼らはこの新しい細菌株の純粋な培養を行い、ついにフォスファイトをリン酸に酸化する際に引き金となる酵素を特定することができました。

「ニコライ・ミュラーと彼の酵素実験によって突破口が開かれました」とデイビッド・シュレヘック氏は言います。ニコライ・ミュラー氏は、酵素の活性を明確に示し、鍵酵素の背後にある生化学的メカニズムを明らかにしました。オルガ・マヤンズ氏とジェニファー・フレミング氏は、反応経路を理解するために、その酵素構造と活性中心の三次元モデルを作成しました。

「酸化の際にフォスファイトがエネルギー運搬体前駆体のAMPに直接結合し、その結果エネルギー運搬体ADPが生成されることに非常に驚きました。その後の反応で、生成されたADPが2つ合わさり、最終的にこの生物が生存する上で必要なATPが1つ生成されます」とニコライ・ミュラー氏は反応経路を概説します。

ついに、すべてがつながりました。元の紙が多くの論文へと変わり、科学雑誌PNASでの出版につながりました。この論文は2023年11月3日に発表され、「AMP-Dependent Phosphite Dehydrogenase, a Phosphorylating Enzyme In Dissimilatory Phosphite Oxidation.（AMP依存性フォスファイト脱水素酵素：不均化性フォスファイト酸化におけるリン酸化酵素）」と題されています。

25億年前の名残

新しいタイプのエネルギー代謝を発見すること自体が大きな科学的成功です。しかし、研究チームは、このタイプの代謝が新しいものではなく、非常に古い、さらには原始的なものー 約25億年前 ーだと考えています。

「進化の初期段階、地球が冷却されていた頃には、リンは部分的に還元された形で存在し、後に徐々に酸化されたと考えられています。私たちが発見した代謝は、微生物の進化の初期段階に非常に適しています」とシンク教授は説明します。

このバクテリアが使用する生化学的メカニズムは新しいものではなく、おそらくは私たちの惑星の原始時代から保存されていたものです。生命が始まり、最初の微生物がリン酸塩のような無機化合物に頼っていた時代です。したがって、この新しい科学的発見は、私たちの惑星の初期の生化学的進化に関する手がかりを提供します。また、非常に過酷な場所での生命を可能にする生化学的メカニズムの鍵も提供します。惑星外の生命についても同様です。

紙1枚がこれらすべてを動かすとは、1980年代の終わりに誰が思っただろうか。

[News release] [PNAS abstract]