2019-2023 年度 文部科学省 科学研究費補助金 新学術領域研究

NEWS LETTER
No.01 (December, 2019)目次

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領域代表から2

領域の概要…ポストコッホ機能生態学とは？

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領域のロゴマーク

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計画班（A01 班）の紹介 [A02 班は次号で紹介]

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ニュース

11・キックオフシンポジウム

11・異分野若手交流会

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イベント予告13

研究コラム…モデル圃場とは？

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領域代表から
私たちは、多くの生き物と関わりあいながら暮らしていますが、現在の科学では、たった一坪の地面の中の生態系を完全に知ることができません。これは、1g の土壌中に生息する 10 億もの微生物の多くが、機能がわからない未知種であるためです。
では、現代の科学において取り残されているともいえるこの未解明な微生物を知る方法はないのでしょうか。
私たちが取り組む新学術領域「ポストコッホ生態」の研究は、新たなテクノロジーを駆使して未解明な微生物を分離・解析する新たなポストコッホ型の微生物学を創成します。さらに、得られる情報を活用し、微生物の種と機能に基づいて生態系を理解することを目指します。このためには、理工学、微生物学、生態学、情報学の密な連携と常識にとらわれない柔軟な発想が重要であると考えています。
微生物は、食料生産、環境保全、健康の基盤を支える重要な生物群です。生命の進化や人類の文化を考える基盤でもあります。微生物を理解し利用することで、人と地球を考える全ての学問に貢献すること、これがこの領域の究極的な目標です。

筑波大学・生命環境系・教授
微生物サステイナビリティ研究センター長
高谷 直樹（たかや なおき）

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領域の概要…ポストコッホ機能生態学とは？
我々にとって、かけがえのない地球は、地表の水、土、大気と多様な生物が複雑に相互作用し恒常性を維持する超地球生命体のシステムを形成していると考えられます。
この中で、微生物は地球上の生きているバイオマスの半分を占め、種の数も動植物や昆虫を凌ぐ数百万種以上とも試算されています。これは、地球の生態系（超地球生命体）を理解するためには、微生物を理解することが重要であることを意味します。
このような背景から、これまでに多くの微生物が環境中から分離されてきましたが、その種は地球全体の微生物の 1%にも満たないことが明らかになってきました。多くの微生物が未分離な理由の一つは、現在の主流であり、R. コッホらによって開発された寒天培地を利用した微生物の分離手法の限界のためだと考えられます。この限界を打ち破り、新たな微生物を分離し、それらの役割を解明すれば、我々の地球生態系の理解が加速されるはずです。
そこで、本領域では、理工学と微生物学の融合によって新たなポストコッホ微生物分離技術を創出し、未だ分離されていない微生物を解明します。さらに、生態学と情報学を駆使した新たな機能インフォマティクスによって、微生物の種と機能およびその生育環境を基軸とした新たな生態系モデルを構築します。この新たな生態系モデルは、超地球生命体の構築原理の解明を導くとともに、持続可能な地球を創成するための新たな環境制御とデザインの技術にも貢献します。

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領域のロゴマークについて
私たちが生きる地球は、実は、目に見えない微生物たちで満ちています。
地球という生態系に住まう微生物、また、微生物と環境の情報をひとつの情報ネットワークとして捉えることをイメージにして、このロゴマークが創られました。

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計画班（A01 班）の紹介 [A02 班は次号で紹介]
計画研究 A01-1 班

ポストコッホ微生物の分離・培養の技術革新研究代表者 佐々 文洋（九州大学）

私たちが目指すところ…
現在の微生物学研究で用いられている培養機器の多くは 100 年以上前に開発されたものであり、改良の余地を多く残している。特に本領域における微生物種とその生理的機能の多様性の全貌を解明するためには、従来とは桁違いの数のサンプルを処理可能な微生物分離・培養・解析システムの構築が必要である。本
計画班研究ではマイクロマシンニング技術を用いて、１プレートで 10 万－100万単位の単離培養・分析・保存を可能とする次世代の微生物学研究用ツールを構築する。これにより、従来法では分離できなかった微生物（微生物ダークマター）のスクリーニングおよび、数種類の微生物の相互作用に基づく複合微生物系の一括分析を目指す。

図：マイクロマシンにング技術で作製した高密度微生物培養システム。デバイス
模式図（左）と 1 cm2 に 3906 個の密度の独立した培養容器中で培養した蛍光発現大腸菌（右）。

5計画研究 A01-2 班

分子分光プロファイリングによるポストコッホ
生態物理化学研究代表者 重藤 真介（関西学院大学理工学部）
研究分担者 劉 宗翰（関西学院大学理工学部）
私たちが目指すところ…
地球上の微生物の 99%以上を占める未分離・未解明の「微生物ダークマター」
へのアクセスを可能とし、微生物を中心とした超地球生命体の理解と制御を実現するためには、従来の微生物学（コッホ微生物学）に理工学・情報学の先進的手法を導入することで、未解明微生物の種と生理機能をあるがままの状態で解析するポストコッホ技術の開発が必要不可欠である。
我々はポストコッホ技術として、「分子の指紋」と呼ばれる振動スペクトルを微生物細胞を壊すことなく測定可能なラマン分光をはじめとする分子分光法を用いる。多種多様な微生物の種と生理機能の精確な識別には通常のスペクトルデータでは質・量ともにまったく不十分であるため、我々の計画研究ではそれらの超高次元化を図り、「分子分光ビッグデータ」に基づいた微生物の新しいプロファイリング手法を開発することを目的とする。マイクロ培養技術（A01-1 班）やレーザートラッピングのような分離技術と融合させることで、土壌などの実環境試料から高効率に「分子分光ビッグデータ」を取得するための高機能顕微分光装置を構築する。得られたビッグデータを最新のインフォマティクス技術（A02-3 班）を駆使して解析することにより、従来法では分離培養が困難な微生物の種と機能の解明を目指し、ポストコッホ機能生態学の創成に資する。

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計画研究 A01-3 班

複合系を形作るポストコッホ微生物研究代表者 野村 暢彦（筑波大学）
研究分担者 豊福 雅典（筑波大学）
私たちが目指すところ…
現代の微生物研究の手法は、19 世紀に確立されたコッホ型微生物学、即ち、寒天培地を用いて微生物を純粋分離するという旧態依然とした手法に頼ってきた。
しかし、この手法では 99％以上に及ぶ未分離・未解明の微生物にアクセスすることは極めて難しいことが分かってきた。超地球生命体を構成する多様な微生物を知るためには、従来の殻を破るポストコッホ型の微生物学の手法（ポストコッホ技術）を確立する必要がある。A01-3 班は、複合生物系を構成するダークマター微生物を識別・解析可能なポストコッホ微生物解析システムの構築を目指す。微生物の自家蛍光スペクトルを指標とした非破壊・非侵襲な微生物の新規イメージング解析技術を高度化させ、さらに他の班が開発するマイクロ培養デバイスや光ピンセット技術などと組み合わせることによって、複合生物系を構成するダークマター微生物を分離できるシステムの開発に繋げる。また、複合系内のダークマター微生物を含む微生物間の相互作用についても、メンブレンベシクルやシグナル化合物に着目して、その解明を進める。

図：非破壊・非侵襲で複合微生物系を３次元でイメージング (左）。細菌が放出するメンブレンベシクル（右）。

7計画研究 A01-4 班

難培養性のポストコッホ微生物の可培養化研究代表者 中井 亮佑（産業技術総合研究所）
研究分担者 草田 裕之（産業技術総合研究所）
玉木 秀幸（産業技術総合研究所）
私たちが目指すところ…
生物と環境の相互作用が織りなす「超地球生命体」システムを理解するためには、そこで量的かつ質的に重要な役割を担う微生物の実態と多様性を明らかにする必要がある。しかし、21 世紀を迎えてなお、自然界に存在する微生物の圧倒的大多数が培養困難かつ機能未知と言わざるを得ない。微生物を基盤とした「ポストコッホ機能生態学」を創成するためには、ボトルネックたるこれら未知微生物の機能解明と制御が必須である。A01-4 班では、細菌（バクテリア）を標的とし、コッホの培養法では分離できなかった難培養性の「ポストコッホ微生物」の培養化を目的とする。代表者らが培ってきた新規微生物の分離培養および機能解明の経験を踏まえ（IJSEM, 2014; Science, 2016; Sci Rep, 2017 等）、“培養のコツ”の収集と体系化を進めながら、ポストコッホ技術（A01-1 班が開発するマイクロゲル培養チャンバーアレイ等）との融合によって培養を加速化させる。
領域内での融合研究によって、100 年以上利用され続けているコッホの微生物学技術を抜本的に改善する手法を確立し、ポストコッホ微生物を含む多様な細菌、すなわちメタ細菌の獲得に挑戦する。

図：環境微生物探索の一例。フィールドでの試料採取の様子（左）と純粋分離に成功した極小アクチノバクテリアの電子顕微鏡写真（右）。

8計画研究 A01-5 班

ポストコッホ・アーキア学：第 3 の生命の姿
研究代表者 跡見 晴幸（京都大学）
研究分担者 布浦 拓郎（海洋研究開発機構）
私たちが目指すところ…
超地球生命体の持続的成長の維持において、個々の微生物の種類と機能に関する情報に裏付けされたポストコッホ機能生態系を理解することが極めて重要である。第 3 の生物ドメインを構成するアーキアは、生態系の重要なプレイヤーであるにも関わらず、培養種は少なく、その生命機能に関する研究は大きく立ち遅れている。またバクテリアや真核生物には見られない生体分子・酵素・生命機能を有することが示唆されており、それらの解明は超地球生命体の全容を理解するためには欠かせない。
A01-5 班では、アーキアの多様性とそれらが示す生命機能の解明を目的とする。そのために、多様な環境試料からのアーキアの単離・集積培養を行ない、新奇なアーキア株の生育特性を明らかにする。また、単離株のゲノム解析、未培養系統群等培養困難なアーキアを対象とした（メタ）ゲノム解析も行い、得られた配列情報に基づいてアーキアが示す生命機能を推定する。さらに、既に培養されたアーキアをモデルとしてアーキア独自が有す新規代謝能、環境変動に対する適応機構や微生物間相互作用に関わる仕組みを解明する。そして、最終的に生化学や遺伝学的手法により、これらの生命機能の基盤となる機構やそれらを制御する機構を解明する。

図：アーキア固有の代謝経路の一例（左）と試料採取を行った酸性泥環境（右）。
9計画研究 A01-6 班

ポストコッホ生態系における希少放線菌の種と機能研究代表者 大西 康夫（東京大学）
研究分担者 松本 厚子（北里大学）

私たちが目指すところ…
環境中ではマイナー（希少）な種であっても生物複合系の中では重要な機能を担う微生物が存在する。超地球生命体の生態系を微生物の種と機能に基づいて理解する「ポストコッホ機能生態系」を構築するためには、土壌優占種にとどまらず、これら希少微生物種の機能の解明が必要である。放線菌は土壌環境フローラの主役の一つであるが、優占種である Streptomyces 属以外の放線菌は、これまであまり研究されてこなかった。土壌中からの分離頻度が低い、いわゆる希少放線菌も多種多様な二次代謝産物を生産し、環境中ではそれらを介した生物間相互作用の鍵を握ると考えられている。
A01-6 班では、希少放線菌に対象を絞り、モデル圃場等から未分離の希少放線菌を分離するとともに、既知種を含めた希少放線菌の新たな生理機能を明らかにすることにより、微生物の種と生理的性質の多様性を解明することを目指す。

図：希少放線菌 Actinoplanes missouriensis が作る胞子嚢（左）と近年土壌より分離した Jiangellaceae 科の新規希少放線菌（右）の走査型電子顕微鏡写真。

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ニュース
① 新学術領域「ポストコッホ生態」キックオフシンポジウムを開催
2019 年 9 月 26 日に新学術領域「ポストコッホ生態」の 2020-2021 年度公募研究の説明会を実施した後、キックオフシンポジウムを筑波大学第 3 エリア３A 棟 402 教室にて開催しました。木越英夫 筑波大学副学長ならびに太田明徳 中部大学総長補佐よりご挨拶をいただいた後、本領域研究班メンバー3 名が本研究領域において目指すゴール等について講演を行いました（参加者数：約１２０名）。シンポジウム終了後は、研究サイトツアーとしてつくば機能植物イノベーション研究センター（T-PIRC 農場）の圃場見学会も開催しました。

【写真】左上：当日のプログラム、右上：高谷直樹 領域代表、左下：重藤 真介 A01-2 班代表、右下：松井 求 A02-3 班代表

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ニュース（つづき）② 第 1 回 若手異分野交流会を開催
2019 年 9 月 27 日に九州大学 システム情報科学研究院の佐々文洋 A01-1 代表によるマイクロ培養アレイデモ・講習会を筑波大学 生存ダイナミクス研究センターにて開催しました（参加者約 30 名）。以下は当日のプログラムと交流会の様子です。現在開発中のマイクロ培養アレイを用いて実験操作の実演が行われるとともに、未知微生物の分離・培養技術の革新に向けて、参加者全員で交流・意見交換しました。
第 1 回若手異分野交流会～マイクロ培養アレイデモ・講習会
日時：2019 年 9 月 27 日（金）9：30～12：00
場所：筑波大学第 2 エリア TARA センター
（生存ダイナミクス研究センター）C 棟 野村研究室
9：30

TARA センター（生存ダイナミクス研究センター）前集合

9：30

講習「微小加工技術の基礎」（佐々・A01-1 班・九州大）

10：30

デモ「マイクロ培養アレイの事前調整、利用法」（佐々・A01-1 班・九州大）

11：30

質疑応答

12：00

解散

【写真】左上：講習中の佐々文洋 A01-1 班代表、左下：マイクロ培養アレイのプロトタイプ、右：微生物観察方法の実演

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イベント予告
日本農芸化学会 2020 年度大会（福岡）にてシンポジウムを開催
2020 年 3 月 25 日から 28 日の 4 日間、福岡市にて開催される日本農芸化学会 2020 年度大会において、シンポジウム「ポストコッホ時代の微生物学を目指して（仮）」を開催予定です（3 月 28 日午前を予定）。ぜひご参集ください。以下は、講演予定者とそのテーマです。
高谷直樹（領域代表・A02-2 班）「開催にあたって～ポストコッホ微生物学が目指すところ」佐々文洋（A01-1 班）「超ハイスループットな微生物の単離を可能とするマイクロデバイス」
重藤真介（A01-2 班）「微生物中の分子からの手紙―ラマンスペクトル―を読み解く」
中井亮佑・玉木秀幸（A01-4 班）「単離培養から紐解く稀少微生物たちの実態と多様性」
岩崎渉・松井求（A02-3 班）「微生物の機能で生態系を現わす新たな情報学の手法」
野尻秀昭（A02-1 班）「ポストコッホ微生物学の展望」

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研究コラム…モデル圃場とは？
ポストコッホ機能生態系のモデルを提唱するために、本領域では長期安定して運用されている特定の生態系を研究対象とし、その環境情報と微生物情報を集積する計画です。そのモデルとなる筑波大学内の畑作施肥試験圃は、長期連用試験（なんと 30 年以上！）により安定性が確認された理想的な連作体系の試験場であり、我が国で唯一です。施肥条件が異なる試験区において複数の作物の輪作体系が維持されています。植物種、作物収量、施肥と微生物の相関を深い情報量で解明するために、このモデル圃場を活用した研究が展開されます。

【写真】筑波大学つくば機能植物イノベーション研究センター（T-PIRC 農場）の農場畑作施肥試験区

ポストコッホ生態 NEWS LETTER No.01
発行：2019 年 12 月
発行者：新学術領域研究「超地球生命体を解き明かすポストコッホ機能生態学」（領域代表者 高谷 直樹）
編集担当：中井 亮佑（産総研）・玉木 秀幸（産総研）
領域ウェブページ：https://postkoch.jp/
お問い合わせ先：〒305-8572 茨城県つくば市天王台 1-1-1
筑波大学生命環境系 生物農林 A 棟 A201-1「ポストコッホ生態」領域事務E-mail：office@postkoch.jp

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