【解説】メタン生成と嫌気メタン酸化の酵素化学嶋

メタンは強力な温室効果ガスであり，その大気中濃度の変化は地球環境に重要な影響を及ぼすと考えられている．メタン
生成古細菌によって嫌気環境で生産されたメタンは，好気環境に拡散し，好気性メタン資化性微生物によって分解されることが知られている．最近の研究により，嫌気環境でも硫酸塩や硝酸塩などの還元反応と共役した代謝により，顕著な量

盛吾

地球環境でのメタンの変遷
光合成によって年間 70 ギガトンもの炭素が地球上で固定される（1）．その 2 〜 3% は嫌気的な環境で微生物によって分解される．まず嫌気性の原生生物や細菌などにのメタンが酸化分解されることが明らかになってきた．嫌気よって酢酸などの有機酸や H2 が生産され，これらの中

条 件 で メ タ ン を 酸 化 す る 古 細 菌（嫌 気 メ タ ン 資 化 性 古 細 菌）

間代謝物からメタン生成古細菌によって年間 1 ギガトン

は， メ タ ン 生 成 の 逆 向 き の 代 謝 で ， メ タ ン を CO2 に ま で 酸 化
す る と 考 え ら れ て い る． メ タ ン 中 の C‒H 結 合 を 嫌 気 的 に 分解することは難しいが，メタン生成古細菌でメタン生産を触媒 す る 酵 素（メ チ ル 補 酵 素 M 還 元 酵 素） が， 逆 反 応 で こ の反応を触媒する．嫌気メタン酸化によって得られた電子は硫のメタンが生成する．メタン生成はメタン生成古細菌のエネルギー代謝である．嫌気環境で生産されたメタンの多くは好気的環境に拡散し，好気的メタン資化性菌によって CO2 にまで酸化される．この場合，酸素を使っ酸塩や硝酸塩に伝達され，エネルギーが保存されるが，そのたメタンモノオキシゲナーゼによって酸化される．大気詳細はわかっていない．ここでは，この分野の最近の進展を中に放出されたメタンのほとんどは光化学反応によって解説するとともに，メタゲノム情報をもとに嫌気メタン酸化代謝系を考察する．

分解されるが，一部大気中に蓄積される．メタンハイド
レートは高圧低温の海底で形成される．嫌気環境でもメタンは硫酸塩，硝酸塩，亜硝酸塩，Fe3＋や Mn4＋などの還元反応と共役した反応によって酸化される．亜硝酸塩
還元と共役した嫌気メタン資化性細菌および，硫酸塩あEnzyme Chemistry of Methanogenesis and Anaerobic Oxidationof Methane
Seigo SHIMA, マックスプランク陸生微生物学研究所，日本科学技術振興機構さきがけ，北海道大学低温科学研究所

化学と生物 Vol. 52, No. 5, 2014

るいは硝酸塩還元と共役した嫌気メタン資化性古細菌を含む集積培養が知られている．いずれの嫌気メタン資化性微生物も増殖速度が遅く，純粋培養は得られていな

307

い．亜硝酸塩還元メタン資化性細菌の場合は，亜硝酸かできる．チトクロームを含まないタイプのメタン生成古ら生成した分子状酸素を利用してメタンモノオキシゲ

細菌における H2 と炭酸ガスからのメタン生成代謝を図 1

ナーゼでメタンを酸化すると報告されている．一方，硝に示した．メタン生成代謝はメタン生成古細菌の唯一の酸塩や硫酸塩と共役した古細菌の系では，メタン生成のエネルギー獲得代謝であり，この代謝特有の補酵素が逆方向の代謝でメタンが分解されるという説が提案されC1 運搬体あるいは電子運搬体として使われている．ている（2）．

CO2 はフェレドキシンを還元剤とする反応によりホルミル基として第 1 の C1 運搬体メタノフラン（MFR）に固定される．つづいてホルミル基は第 2 の C1 運搬体でメタン生成代謝あるテトラヒドロメタノプテリン（H4MPT）に転移しメタン生成古細菌は 2 種類に分類できる．
やた後，脱水縮合と還元型 F420 を電子供与体とする 2 段階などチトクロームを含まなの還元反応によりメチル基になる（F420 はメタン生成古などチトクロームを細菌で見いだされた電子運搬体，デアザフラビン環を含含むタイプである（3）．前者は主に H2 と炭酸ガスからのいタイプのものと，む）．メチル基は第 3 の C1 運搬体である補酵素 M に転移

メタン生成しかできないが，後者はそれ以外にメタノー′＝するが，この反応は強い発エルゴン反応であり（Δ °ルなどの C1 化合物や酢酸を基質として利用することが− 30 kJ/mol），その反応はナトリウムイオンの汲み出′ ＝＋ 30 kJ/mol）と共役している．イオンし反応（Δ °勾配として保存されたエネルギーは ATP 合成酵素の駆++ox
Fd+Na

Eha/Ehb

MFR++2H

Fd redCoM-SH

したメチル補酵素 M がメタン生成反応の直接の基質でFd ox+R

H2O′ ＝− 30 kJ/mol）で還元型の補酵素 B によっ反応（Δ °O

H4MPT

Ftr

O H
10*CNN5N

H 2N+H+NaMFRHOH

CoM-S-S-CoB

N * HC

Formyl-MFR

Hdrcomplex

2H2 + Fdoxある．メチル補酵素 M 還元酵素（Mcr）に触媒される

HO

Fmd/Fwd

CoB-SH+

動力となり ATP を生産する．メチル基転移反応で生成

*CO
2H2NN

Formyl-H4MPTCoB-SH

Mcr

MchO

CoM-S-CH3+Na

H

N++Na

N5NATPN*CH3H10N R

NH

F420H2MtdN5N*
C

Methyl-H4MPT

Mer
F420 F420H2F420

HO H C*H
H 2NN

H210N RNH

Methylene-H4MPT

H2

最近の研究で，Hdr 複合体は，ヘテロジスルフィドとと（以下に詳述）．生成した還元型フェレドキシンはメタン生成代謝の最初の反応（炭酸ガスの還元反応）に使われる．CO2 からのメタン生成には 8 電子必要だが，半分の4 電子はヘテロジスルフィド還元酵素複合体を通じて供給 さ れ， 残 り の 4 電 子 は F420 還 元 性 ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ（Frh）から還元型 F420 としてメタン生成代謝に供給さ

図 1 ■ 水素ガスと CO2 からの標準メタン生成経路（2, 17）

チトクロームを含まないメタン生成古細菌での例．MFR：メタノフラン，H4MPT：テトラヒドロメタノプテリン，F420H2：還元型 F420，CoM-SH：補酵素 M，CoB-SH：補酵素 B，CoM-S-SCoB：ヘテロジスルフィド，Fdox/Fdred：酸化型および還元型フェレドキシン，Fmd/Fwd：モリブデン型およびタングステン型ホルミルメタノフラン脱水素酵素，Ftr：ホルミルトランスフェラー
ゼ，Mch：シクロヒドロラーゼ，Mtd：F420 依存性メチレンH4MPT 脱水素酵素，Mer：F420 依存性メチレン H4MPT 還元酵素，
Mtr：膜結合メチルトランスフェラーゼ，Mcr：メチル補酵素 M還元酵素，Hdr complex：ヘテロジスルフィド還元酵素と Mvh ヒドロゲナーゼの複合体，Eha/Ehb：2 種類の膜結合エネルギー変換ヒドロゲナーゼ．

308（Mvh）の複合体（Hdr 複合体）によって触媒される．
もにフェレドキシンを還元することが明らかとなった（4）N5Nは，H2 によって還元され，還元型の補酵素 M と補酵素
ロ ジ ス ル フ ィ ド 還 元 酵 素（Hdr） と ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ

ADPMethenyl-H4MPT+CoM-SH

H 2N

H2O
10N R

HMtr

O

H

N

H 2N

H4MPT

H

H+ある補酵素 M と補酵素 B からなるヘテロジスルフィド′＝−39 kJ/mol）
B が再生される（Δ °．この反応はヘテH*CH4て還元されメタンを生じる．メタン生成反応の副産物でれ る（図 1）． ニ ッ ケ ル 制 限 条 件 で は Frh の 代 わ り に［Fe］ヒドロゲナーゼが使われる（5）．この代謝サイクルで得られた還元力の一部は生合成に使われるため，サイクルを維持するためには，さらに還元力を供給する必要が あ る． 膜 結 合 型 ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ（Eha お よ び Ehb）
が，イオン勾配を利用して H2 によるフェレドキシン還元を行う．

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AS-O3S

O H

CH3 + HSN
H HCoenzyme M
G°´ = - 30

メチル補酵素 M 還元酵素（Mcr）

CO2CH3Coenzyme B

メタンを生成する酵素である Mcr はすべてのメタン

O PO32-生 成 古 細 菌 で 使 わ れ て い る（6）．3 つ の サ ブ ユ ニ ッ ト，（α β γ）2 構造からなる分子量約 30 万のタンパク質で，補Mcr

10 kJ/mol

欠分子属としてニッケルポルフィノイド F430 を活性中心に含む．F430 はタンパク質内部の疎水的領域に埋め込ま

CH4
S-O3S+O H

SNH H

Heterodisulfide

れ，チャンネルを通じて外部とつながっている（図 2）．

CO2CH3

大きく分けて 2 種類の触媒機構が提案されている．一つの機構ではメチル‒ニッケル中間体を形成した後，メタO PO32-ンが生産される（7）．一方の反応機構では，中間体としてメチルラジカルが生成する（8）（図 2）．どちらか一方を特B定する確かな実験結果は得られていないが，最近発表さCoBCoBSHS CoM
CH3
Ni(III)F 430
Mechanism 1

れたプロトン交換反応の実験結果はメチルラジカル機構

SHに分が良さそうである（9）．

HH C HM
CoS

ヘテロジスルフィド還元酵素（Hdr）複合体

Ni(II)F 430′＝−140 mV），H2（ °′＝−414 mV）などを還元剤（ °ヘテロジスルフィド還元の酸化還元電位は比較的高く

Mechanism 2とした反応で，比較的大きなエネルギーを得ることができる（10）．チトクロームを含むタイプのメタン生成古細図 2 ■ メチル補酵素 M 還元酵素（Mcr）の触媒反応（A）と推定反応中間体（B）

菌では，Hdr は膜タンパク質として存在し，Hdr 反応が緑色の太線で囲まれた部分は疎水性チャンネルを示す．触媒機構
1 ではメチル-ニッケル複合体，触媒機構 2 ではメチルラジカルが中間体として生成する．

4H[NiFe]
MvhAいる．一方，チトクロームを含まないタイプのメタン生成古細菌では，Hdr 複合体は細胞質に局在し，H2 からox

E°' = - 414 mV
2H2

プロトンの膜輸送と共役し，エネルギー保存に使われてE ' = ~ - 500 mV

Fd+HdrA

redFd

2 x 1e 2[4Fe4S]

2[4Fe4S][3Fe4S][2Fe2S]

MvhG

MvhD

FAD

4Cys

2[4Fe4S]
2 x 2e2 x 1e[4Fe4S]
2[4Fe4S]

HdrCZn

図 3 ■ ヘテロジスルフィド還元酵素
複合体の触媒反応と構成

HdrB

CoM-S-S-CoB

CoM-SH2H+

CoB-SH++E°' = - 140 mV

化学と生物 Vol. 52, No. 5, 2014の 例． ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ（MvhAGD）とヘテロジスルフィド還元酵素（HdrABC） が 複 合 体 を 形 成 し て いる．一次構造からコファクターの結合 位 置 と 電 子 の 流 れ を 推 定（10）．
HdrA に含まれる FAD で電子が振り分けられる．

309

の電子で，ヘテロジスルフィドとフェレドキシンの還元を行う（4, 10）（図 3）．フェレドキシンの酸化還元電位は低+H?

く（ ′＝〜−500 mV），H2 で還元することは困難である．しかし，Hdr 複合体は FAD を介した電子バイフリ*CO2+Fq
Fp o/oF420

ケーション機構によって，2 分子の H2 からの 4 つの電子Fd+CoM-SH? + Fd応と吸エルゴン的なフェレドキシン還元反応を行うと考えられている．提案されている電子バイフリケーション

R

H2O

N * HCO

FwdO

Formyl-MFR

H4MPTFtr

Hdrox

H

red

MFR
H

O
H

CoM-S-S-CoB

O H
10N+H+NaN5N

H 2N

*CNN
H

機構での重要なポイントは，FAD が酸化還元電位のよFormyl-H4MPT*CH4り低いセミキノンラジカル（FADH•）を経由すること

Mcr

CoB-SHである．セミキノンラジカルからの活性化された電子に+NaO
H
H 2N

H4MPT

た電子バイフリケーション反応が微生物で広く使われてOHいることを意味しているのだろう．

H 2N

N

H2O
*C+ADP+Na

10N R

N5N

ATPN
H

Methenyl-H4MPT

*CH3N
H

Methyl-H4MPTF420 FF420

HO H C*

Mer

H
H 2N

H2420+F420H2Mtd
H
10N R

N
5N

HN

Mtr
CoM-SH

ゲノムに認められている．HdrA のホモローグを活用し

H+

Mch

CoM-S-CH3

よってフェレドキシンが還元されると考えられている（10）．FAD を含むサブユニット HdrA は多くの微生物++2H

CoB-SHを振り分け，発エルゴン的なヘテロジスルフィド還元反Fd ox+MFR

F420H210N RN5NNNHMethylene-H4MPT

嫌気メタン酸化代謝
硝酸還元あるいは硫酸還元と共役した嫌気メタン資化性古細菌（Anaerobic Methanotrophic archaea，あるいは ANME 古細菌）が知られている（2）．ANME 古細菌はメタン生成古細菌の系統 Methanomicrobiales（ANME-1古細菌）と Methanosarcinales（ANME-2 および ANME-3

図 4 ■ 嫌気メタン酸化の推定代謝経路
こ の サ イ ク ル を 回 転 す る に は， ヘ テ ロ ジ ス ル フ ィ ド 還 元 酵 素（Hdr）と電子運搬体 F420 が鍵となる．ANME 古細菌にはヒドロゲナーゼが含まれない．硫酸還元酵素系との共役機構は本文参照．
Fqo/Fpo 型膜酵素によるプロトン勾配としてのエネルギー保存が予想される．ANME-1 のゲノムに Mer は認められてない．

古細菌）に分類され，嫌気メタン資化性古細菌のゲノムにはメタン生成代謝に含まれるほとんどの酵素のホモば，問題なく進行する（図 4）．それ以降，CO2 生成までローグが存在する．これらの知見から，ANME 古細菌の反応はエネルギー的に特に問題がない（2）．ヘテロジス

はメタン生成の逆代謝でメタンを分解するという仮説がルフィドをどのように再生するかが嫌気メタン代謝の最提案された．その仮説に従えば，メタン生成代謝のメタ大の問題である．図 1 に示した Hdr 複合体の逆反応でン生成酵素 Mcr が，逆反応の嫌気メタン酸化反応を触は，還元型フェレドキシンおよび補酵素 M と補酵素 B

媒 す る は ず で あ る．Mcr の 逆 反 応 は 吸 エ ル ゴ ン 的からの電子がプロトンに渡され，2 分子の H2 が生成する（＋ 30 kJ/mol）である（図 2）．理論的にも実験的にも，ことになる．しかし，この逆反応は吸エルゴン的（＋逆反応（メタン酸化反応）の速度は，正反応よりもはる

39 kJ/mol）すぎて，ほとんど不可逆である（2）．この逆かに遅い（2）．（メタン生成古細菌由来の Mcr の場合，11反応を可能にするために，嫌気メタン酸化代謝では，プ

nmol メタン min−1 mg−1 タンパク質というメタン酸化活

ロトン以外の比較的酸化還元電位の高い電子受容体が使（11）．
）このように Mcr の逆反応は非常われていると予想される．実際，メタン資化性古細菌のに遅く，微生物マットでのメタン酸化反応速度（約 7メタゲノム中にはヒドロゲナーゼは見つかっていない．

nmol min−1 mg−1 タンパク質）を実現するには，高濃度興味深いことに，嫌気メタン資化性古細菌のゲノムのの Mcr が必要である．実際に黒海の微生物マット中に遺伝子はメタン生成古細菌のものとかなり異なる．

は全タンパク質の 10% 以上にも及ぶ大量の Mcr が検出

嫌気メタン資化性古細菌のゲノムにコードされる Hdr性が得られている（12）

された．この嫌気メタン資化性古細菌からの Mcr は結晶化され，X 線構造解析がなされている（13）．

遺伝子クラスターは複数あり，遺伝子クラスター中に 2つの遺伝子が並んだものや，2 つの HdrA が融合

逆向きのメタン代謝では，メチル補酵素 M 上のメチしたサブユニットを含む遺伝子クラスターが存在す

ル基は Mtr 反応によって H4MPT に転移する．この反応

る（14）．また，F420 結合サブユニットのホモローグが一は吸エルゴン的だが，ナトリウムイオン勾配が存在すれつの Hdr 遺伝子クラスターに含まれている（14）．メタン

310

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酸 化 代 謝 で 生 成 す る 2 分 子 の 還 元 型 F420 と あ わ せ て，らの電子をこれらの硫酸還元中間体に渡すことができれ

F420 が嫌気メタン酸化経路で重要な役割をすることが考ば，メタン酸化代謝を問題なく進めることができるだろえられる． ANME-1 のゲノムには膜結合型の F420：メう．前述のように，Hdr 複合体からの電子がまず F420

ナキノン酸化還元酵素（Fqo）や F420：メタノフェナチ′＝−360 mV）に渡され，続いて硫酸還元系に渡さ（ °（14）．

れるのかもしれない．この場合，還元型 F420 に依存したこれらの膜タンパク質によって触媒される F420H2 の酸化ン酸化還元酵素（Fpo）のホモローグが存在する

APS 還元酵素や亜硫酸還元酵素の存在が予想される．

反応はプロトン輸送と共役している．これらの膜タンパいずれにしても，新規な硫酸還元系酵素が使われている

ク質ホモローグが，ANME 古細菌でのエネルギー保存ことになる．実際，ANME 古細菌には通常の ATP スルに関与していることが予想される（図 4）．

リラーゼ，APS 還元酵素および亜硫酸還元酵素は見つかっていない．還元型フェレドキシン（ ′＝−500 mV）

硫酸還元と共役した嫌気メタン酸化は栄養共生か？
これまで，硫酸塩還元と共役した嫌気メタン酸化は，′＝−500 mV）を還元剤とやホルミルメタノフラン（ °して，硫酸イオンを亜硫酸に直接還元する酵素系も提案されている（2, 15）．

嫌気メタン資化性古細菌と硫酸還元菌の栄養共生であると考えられてきた．この反応を行う生物は常にこれらのおわりに2 種類の微生物を含む集積培養として見いだされ，これらの微生物を分離培養できなかったからである．しか微生物によるメタン生成と嫌気メタン酸化をさらに理し，2012 年にドイツ，マックスプランク海洋微生物学解するための共通の鍵は Hdr 複合体であろう．X 線結晶（15）

研 究 所 の グ ル ー プ が， 興 味 深 い 結 果 を 報 告 し た．

構造解析を含めた酵素化学的研究の進展が待たれる．

ANME-2 古細菌は単独でメタンを酸化し，独自の硫酸ANME 古細菌が，単独でメタン酸化から硫酸還元まで還元酵素系を使って，硫酸塩をゼロ価の硫黄に還元す行えるのであれば，硫酸還元系を含めた嫌気メタン酸化る．共存する細菌はメタン資化性古細菌の生産したゼロ代謝を想定することが比較的容易であり，酵素活性アッ

価硫黄を不均化反応によって硫化水素と硫酸塩に変換セイ系を組むこともできる．嫌気メタン酸化微生物はいし，その代謝で得られるエネルギーで生育するという．

まだ純粋培養が得られていないが，天然の微生物マット

この報告では ANME-2 古細菌についての知見しか述べや集積培養菌体を用いた活性測定や酵素精製，大腸菌なていないが，ANME-1 古細菌や ANME-3 古細菌でも同どでの異種発現酵素を使った研究でブレイクスルーが期様の代謝が行われていても不思議はない．硝酸還元と共待される．

役した嫌気メタン酸化古細菌（ANME-2d）が単独で嫌気メタン酸化と硝酸還元を行うことも最近報告され（16）た．

ANME 古細菌で予想される硫酸還元共役系
ANME 型の嫌気メタン資化性古細菌がメタン酸化から硫酸還元まで行うという仮定のもと，硫酸還元共役系を考察してみよう．通常の硫酸還元細菌では，硫酸イオンは ATP スルフリラーゼの触媒する反応で ATP を使って活性化されアデニリル硫酸（APS）となる．APS 還元酵素反応によって APS から亜硫酸が生成し，亜硫酸は亜硫酸還元酵素の触媒反応で硫化水素にまで還元される．それぞれの反応の酸化還元電位は，APS/（亜硫酸水′＝−60 mV，亜硫酸水素イ素イオン＋ AMP）共役で °′ ＝− 120 mV であオン／硫化水素イオン共役の場合 °′＝−414
り，これら硫酸還元中間体はプロトン/H2（ °mV）よりも優れた電子受容体である（2）．Hdr 複合体か

化学と生物 Vol. 52, No. 5, 2014

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312

プロフィル嶋 盛 吾（Seigo SHIMA）＜略歴＞ 1983 年大阪府立大学農学部農芸化学科卒業／1985 年電力中央研究所研究員／1991 年 博 士（農 学）， 東 京 大 学／1993
年ドイツフンボルト財団奨学生／1995 年
マックスプランク陸生微生物学研究所研究員／1997 年同グループリーダー／2008 年
日本科学技術振興機構さきがけ兼任研究員／2012 年北海道大学低温科学研究所客員教授＜現在の研究テーマと抱負＞メタン生成および嫌気メタン酸化にかかわる酵素とコファクターの生化学＜趣味＞音楽鑑
賞，史跡巡り，大工仕事

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