Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)ISSN 2186-9936

Dec. 2014
第13巻 第2号

Journal of Japanese Society for Extremophiles

巻頭言 ………………………………………………………

30

ORIGINAL PAPER …………………………………………

32

MINI REVIEW ………………………………………………

59

学会記事 ……………………………………………………

97

学会誌投稿規定・執筆要領 ………………………………

101

会則・細則 …………………………………………………

103

運営体制 ……………………………………………………

106

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)

巻頭言

過渡期

－

海外生物資源にどのように接するか－

生物多様性条約は日本を含め 194 カ国が批准しており、条約を批准していない主な国は米国くらいです。名古屋議定書は日本で行われた 2010 年の第 10回締約国会議で採択され、今年の 10 月 12 日に発効
し、現在 EU と 52 カ国が批准しています。アジアではインド、インドネシア、ミャンマー、モンゴル、
ベトナムなど、ヨーロッパでは、EU のほか、ハンガリー、スペイン、デンマークなどが批准している
ほか、非 EU ではスイスが批准しています。日本をはじめ、中国、韓国、タイ、マレーシアはまだ批准していません。特に批准国との関係がある人は、こ
れから、どのような国内法ができるか、注意しておく必要があります。
とはいえ、それでは今すぐ何をしたらいいのか、
なかなか難しい問題です。それは、本条約の締約国
会議では常に、多くは途上国である生物遺伝資源の提供国と主に先進国である利用国で対立的な議論が行われていることと、ほとんどの国にはそれぞれの国内で遵守すべき国内法がまだなく、また、手続きのための窓口も手順も整備されていないのが現状だからです。厳密に言えば、国内法がないのですから、
生物資源の取得や移転をしても直接違法とはいえません。しかし、生物多様性条約の精神に則ると、道義的に適切な行為とはいえず、それを非政府組織などから指摘されると、その成果の発表や利用は困難になるでしょう。名古屋議定書をたてに、途上国の生物資源を利用して先進国の企業が不当に利益を得てるとみなされるとやりダマにされる恐れがあるので、商業化までを考えておられる場合はさらに注意が必要です。
最近よく耳にする略号に PIC と MAT というのがあります。PIC とは Prior Informed Consent (事前の情報に基づく合意)であり、MAT とは Mutual Agreed
Term (相互に合意する条件)です。PIC は原産国(厳密には提供国)の所轄当局から承認を得るもので、MATはそれに添えられるもので、PIC を得るに当たり提供側と利用者側で合意した条件を定めたものとなります。これらがそろって初めて、海外の生物資源を合意した条件で日本に移転して利用することができることになっています。それでは、誰とどのようにしたらよいでしょう。ほとんどの批准国はまだ国内法がありませんので、申請先の役所の部署や記入事項、実施条件などはほとんどありません 2)。
このような現状から、企業では当面海外の生物資源を利用した研究開発は避ける動きがあります。これも仕方のないことですが、大学や公立研究機関では国際共同研究が継続的に行われています。海外資

鈴木 健一朗（独）製品評価技術基盤機構（NITE）
生物多様性条約の生物資源の取得と利益配分に係る名古屋議定書 1)は今年 10 月 12 日に発効しました。
会員の中にも海外の研究者との研究材料のやりとり
や、相互に訪問して国際共同研究をされている方も多いと思いますので、生物多様性条約と名古屋議定書に対するコンプライアンスについてご心配の方も多いと思います。私たちの研究活動にどのような影響を与えるのか、現在の研究を続けるにはどうした
らいいかについて考えてみたいと思います。
生物資源、特に微生物の取り扱いには多くの法令が関わっています。関係する法令は微生物種や研究内容によって異なりますが、海外から微生物株を輸入する際の植物防疫法と家畜伝染病予防法などは多くの方が関わっておられると思います。最近では感染症法（正式には感染症の予防及び感染症の患者に対する医療に関する法律）がバイオテロ対策を考慮して改正され、病原性に基づく新たな分類、国内での保有や移動の厳しい制限などが設けられました。
遺伝子組換え生物の取扱いに対するカルタヘナ法(遺伝子組換え生物等の使用等の規制による生物の多様性の確保に関する法律) は、生物多様性条約のカルタヘナ議定書に基づく国内法です。生物多様性条約は 1993 年に発効した生物遺伝資源の多様性の保全とその持続可能な利用に関する国際条約で、生物遺伝資源に提供国の主権的権利が存在することが認められています。本条約に関連し、国内法を制定した国によっては、研究者の自国内の生物遺伝資源
へのアクセスも制限している国もあります。日本では、現在国内での生物遺伝資源へのアクセスについては、国立公園法などを除けば特別の規制はありません。しかし、我々が海外の生物遺伝資源を入手して日本国内で研究しようとすると、本条約を考慮する必要があります。

30

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)についても解釈は明確ではありません。まだ解決すべき課題は多くあります。日本においても、昨年まで、環境省は国内措置検討委員会を設置して、いろ
いろな生物資源の利用者からの意見を集めてきました 3)。現在、国内措置について政府レベルで検討が進められていると聞きます。研究に対して許諾や手続きの複雑さが制限や遅れをもたらすのは好ましくありません。しかし、それは適切に制定、運用されれば研究者を守ることにもつながります。日本産生物資源であることの証明などが可能になるからです。
現在、ヨーロッパ連合(EU)では、EU 規則を制定し、それに従った生物資源の利用環境の整備を進めています。研究コミュニティは国際レベルでコンセンサ
スを得る必要があります。
生物多様性条約には単に生物資源へのアクセスを制限するだけではなく、研究や産業への利用を妨げず、促進することも謳われています。現在提供国にも利用国にも国内法がない中、不安で利用を躊躇しているだけでは成果が得られません。生物資源に関する情報の確保と、きちんとした協定や契約をしておけば現在想定される将来の提供国側の規制に答えることができ、研究成果は正当に評価されるでしょう。日本のバイオ産業に与える影響も大きいので、日本政府も慎重に国内措置を検討してもらいたいものです 4)。提供国も自国の生物資源で優れた研究成果が生まれ、自国の研究者が先端的技術を習得する
ことを期待しているわけですから、研究にも産業にも win-win のゴールはあるはずです。

源を日本側単独で利用することは困難と考えた方がいいでしょう。海外資源を利用する際は、まず第一には生物資源の原産国の共同研究先と、組織レベルの協定を締結することです。もはや、何となくの興味の共有で実施する時代ではありません。先方が公的機関であれば、これが当面の PIC と見なすことができ、合わせて、研究課題、研究者リスト、生物材料の範囲と量、移転時のリストの共有や研究終了時の試料の処分法が含まれた相手側研究者との合意書
を MAT としてセットすれば、現在できることはし
たといえます。そのとき、組織レベルの協定は、大学の場合、経営者と見なせる少なくとも学部長以上
どうしの調印を行っておく必要があります。これに基づいて、研究を実施し、成果を共著で論文発表すれば、これは非金銭的利益配分と見なすことができます。
さて、相手国の生物資源を利用するための方法を紹介しましたが、生物多様性条約への対応はこれで十分でしょうか。日本では、学術研究のための生物資源利用は条約の対象から除外すべき、日本で国内法による制限に反対する意見も多く聞かれます。しかし、これを返せば、日本の生物資源を利用している人を保護する構造を持たないことになります。規
制のない日本で取得した生物試料を利用した研究に対し、原産国証明を発行してくれる機関がないからです。特に微生物株の場合、科学的に証明することはほとんど困難です。微生物株の出所証明に対して、
カルチャーコレクションの活用が考えられます。研
究成果を論文に発表する際、その内容の再現性の保証のために微生物株をカルチャーコレクションに寄託し、公開します。特に細菌の新種発表の際は基準株の寄託が義務づけられています。カルチャーコレ
クションは微生物株の寄託を受けると、それを学術情報とともに公開し、分譲します。すなわち、微生物株の原産国、分離源の情報も公開されるので、原
産国証明のような機能があるといえます。さらに、本学会会員には、深海や南極で得た試料を研究しておられる方も多いと思われるので、公海の取り扱い
や南極条約も考慮する必要があるでしょう。
生物多様性条約は 1993 年 12 月 29 日に発効しました。前述のような制約は、発効以前に行われた生物
資源は対象外と考えられています。また、カルチャ
ーコレクションでさえ、昔に寄託された微生物株には原産国が不明のものが少なくありません。またヒト由来試料は対象外と言われていますが、その範囲

参考資料
1) バイオインダストリー協会 (2011). 名古屋議定書 日本語対訳 バイオインダストリー協会(http://www.mabs.jp/archives/nagoya/index.html)
2) バイオインダストリー協会・経済産業省 (2012)
遺伝資源へのアクセス手引 第 2 版 バイオイ
ンダストリー協会(http://www.mabs.jp/archives/tebiki/index.html)
3) 環境省 (2014) 名古屋議定書に係る国内措置のあり方検討会報告書(http://www.env.go.jp/nature/biodic/abs/conf01.html)4) 日本バイオ産業人会議ほか (2014) 生物多様性条約・名古屋議定書に関する要請書(http://www.jba.or.jp/pc/archive/nagoya_giteisho/1410
30_nagoya_youseisho.pdf)

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Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13, 32-52

ORIGINAL PAPER

Hamana Ka, Hayashi Ha, Niitsu Mb, Itoh Tc
and Ohkuma Mc

Long linear and branched polyamines of new thermophilic members located in
the bacterial orders Thermotogales, Thermales, Aquificales,
Thermodesulfobacteriales, Clostridiales, Thermoanaerobacterales, Bacillales,
Caldisericales and Desulfovibrionales, and the family Rhodothermaceae-Polyamine catalogues of bacterial (eubacterial) and archaeal (archaebacterial)
extremophiles ⅧaFaculty of Engineering, Maebashi Institute of Technology, Maebashi, Gunma 371-0816, Japan.
Faculty of Pharmaceutical Sciences, Josai University, Sakado, Saitama 350-0295, Japan.
cJapan Collection of Microorganisms, RIKEN, BioResource Center, Tsukuba, Ibaraki 305-0074, Japan.
bCorresponding author: Koei Hamana, koeihamana@gmail.com
Phone: +81-27-234-4611, Fax: +81-27-234-4611
Received: Sep. 20, 2014 /Revised: Oct. 29, 2014 /Accepted: Nov. 6, 2014
Abstract Additional distribution catalogues of long
linear and branched polyamines in thermophilic bacteria
including acidophiles, alkaliphiles and halophiles andtheir significance for extremophily and chemotaxonomy
were presented. Cellular polyamines acid-extracted
from 85 newly validated and available thermophiles
spread into the following ten taxa were analyzed byhigh-performance liquid chromatography, gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry.
1) Within the order Thermotogales, linear penta-amines
were found in Marinitoga, Thermotoga, Kosmotoga,
Thermosipho and Fervidobacterium, but not in Petrotoga,
Oceanitoga, Defluvitoga and Mesotoga. Linear hexaamines were detected limitedly in Kosmotoga,
Thermotoga and Thermosipho.
2) Linear penta-amines and hexa-amines were distributed
throughout the extremely thermophilic Thermus,
Marinithermus and Vulcanithermus in the order
Thermales. Penta-amines and hexa-amines were notdetected in the moderately thermophilic Meiothermus,
Oceanithermus and Rhabdothermus. N4-bis(aminopropyl) norspermidine and N4-bis(aminopropyl)spermidine were found in Thermus thermophilus alone.
3) Moderate/extreme thermophiles distributed throughout the order Aquificales contained one of thequaternary-branched penta-amines.
4) A branched penta-amine was distributed in Thermodesulfatator whereas Thermodesulfobacterium contained
linear and branched penta-amines in the order Thermodesulfobacteriales.

325) Thermaerobacter contained linear penta-amines andhexa-amines, whereas Caldicoprobacter contained
N4-bis(aminopropyl)spermidine from the order Clostridiales.
6) In the order Thermoanaerobacterales, linear andbranched penta-amines were distributed in Thermoanaerobacterium as well as in Ammonifex, Caldanaerobacter, Caldicellulosiruptor, Desulfovirgula, Fervidicola,
Moorella, Thermanaeromonas, Thermovorax andThermoanaerobacter, but not in Carboxydothermus,
Calderihabitans, Thermodesulfobium and Coprothermobacter.
7) In the order Bacillales, a tertiary branched pentaamine, N4-aminopropylspermine, was found in
Geobacillus. Thermopentamine, homothermohexamine
and N4-bis(aminopropyl)spermidine were distributed
throughout Saccharococcus, Hydrogenibacillus, Caldalkalibacillus and Thermobacillus.
8) Caldisericum belonging to the order Caldisericales
contained a tertiary-branched tetra-amine, N4-aminopropylspermidine.
9) Desulfothermus located in the order Desulfovibrionales contained N4-bis(aminopropyl)spermidine.
10) Rhodothermus of the family Rhodothermaceae
contained linear and branched penta-amines and a linear
hexa-amine, homothermohexamine.
Key words: Bacteria,
polyamine, thermophilehexa-amine,penta-amine,Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Introduction
It has been suggested that cellular polyamine
distribution profiles in extremophilic bacteria andarchaea are related to each bacterium or archaeon’s
optimum growth temperature, pH and salt concentration
as well as their phylogenetically classified
locations2,3,15,21,27,28). The interactions of polycationicpolyamines with nucleic acids and other acidic
components in the cells are important for their growth.
Although the degree of thermophily is estimated roughly
and cannot be defined exactly, hyperthermophiles grown
at 80-100°C, extreme thermophiles grown at 65-80°C
and moderate thermophiles grown at 50-65°C are
distributed in diverse bacterial and archaeal taxa15). The
occurrence of high-basic linear and branched penta- andhexa-amines in hyper-/extreme thermophiles showsnovel polyamine synthetic abilities, possibly associatedwith their thermophily to stabilize cellular nucleic acids
and other acidic cellular components under high thermal
growth environments2,3,14,15,21,28,40).
It has been shown also that cellular polyamine profiles
are useful as chemotaxonomic markers in bacteria andarchaea3,15,21). At the present time, 30 phylum-levellineages within the domain Bacteria have been validly
published by the description of pure cultures as thephylogenetic taxa in the domain36). In the following ten
bacterial taxa (nine orders and one family) analyzed here,
extremely thermophilic bacteria belonging to the first
four orders Thermotogales, Thermales, Aquificales andThermodesulfobacteriales are located in early branchedlineages of the phylogenetic evolution of the domain
Bacteria15,36). Recently, slightly thermophilic speciesgrown at 40-50°C and moderate thermophiles have been
isolated within the orders Thermotogales andThermales36). A comparison of polyamine profiles inextreme, moderate and slight thermophiles within the
two thermophilic orders is included in the present study.
Other extreme thermophiles are distributed into
divergent orders (phyla) distant from the four former
orders (four phyla).
To fill up the polyamine distribution catalogues in the
numerous, so far not investigated thermophilic bacterial
taxa of different lineages, additional distribution
catalogues of long linear and branched polyamines in 85
newly validated and available bacterial thermophiles
including acidophiles, alkaliphiles and halophiles,
belonging to the ten taxa were presented here to highlighttheir significance for extremophily in their growth
conditions and chemotaxonomy in their evolutionary
positions. The three orders Clostridiales, Thermoanaerobacterales and Bacillales in which many
33

thermophiles have been validated, belong to the phylum
Firmicutes36). The order Caldisericales is located in anovel phylum Caldiserica36). Desulfothermus locatedin the ninth taxon of the present study is a uniquethermophilic genus belonging to the order Desulfovibrionales of the class Deltaproteobacteria of thephylum Proteobacteria36). In the tenth taxon, thefamily Rhodothermaceae belonging to the phylum
Bacteroidetes36), marine and terrestrial species have been
isolated in the thermophilic genus Rhodothermus andnew mesophilic genera were published36).
Some thermophilic species previously analyzed were
re-cultivated under different growth conditions to
examine changes in their polyamine profiles in different
growth environments.
Materials and Methods
Newly validated bacteria were provided by JCM(Japan Collection of Microorganisms, RIKEN,
BioResource Center (BRC), Tsukuba, Ibaraki, Japan)
through the National Bio-Resource Project of MEXT and
by NBRC (Biological Resource Center, National
Institute of Technology and Evaluation (NITE), Kisarazu,
Chiba, Japan), and they were cultivated in liquid media
or on agar media as designated by culture collections
under aerobic or anaerobic conditions30,35). Medium pH
and culture temperatures are given in Table 1.
Organisms in the stationary phase were harvested. The
pellets of organisms were homogenized in equal volumesof cold 1 M (10 %) perchloric acid (PCA)(HClO4). The
0.5 M (5 %) PCA extract was subjected to a Dowex 50W
column to concentrate polyamines4,26). The concentrated polyamine fractions were analyzed by highperformance liquid chromatography (HPLC) on acolumn of cation-exchange resin in a Hitachi L6000
high-speed liquid chromatograph developed in ourlaboratory4,26) (Fig. 1). After heptafluorobutyrization,
gas chromatography (GC) using a SHIMADZU GC-17A
and GC-mass spectrometry (GC-MS) using a JEOL
JMS-700, equipped with a capillary column of Inert Cap
1MS (GL Sciences), were performed22,26,37) (Fig. 2).
Using authentic polyamine standards, polyamines
detected on HPLC and GC chromatograms wereidentified by their elution and retention times,
respectively, and mass spectra in GC-MS22,26,37).
Typical chromatograms were shown in Figs. 1 and 2.
Quantification of polyamine peaks in HPLC and GC wasdone by the peak height of authentic polyamine
standards. Molar concentrations of cellular polyamines
per gram of wet cell pellet (mol/g wet weight cell),Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)estimated from the HPLC and GC analyses are shown in
Table 1. Previously, our data on the related bacteria
were cited and are shown together with new bacterial
polyamine data in the table.
Polyamines areabbreviated as the number of methylene CH2 between N[for examples:

NH2(CH2)3NH(CH2)3NH(CH2)4NH(CH2)3NH2, 3343,
thermopentamine:
NH2(CH2)3N((CH2)3NH2)(CH2)4NH(CH2)3NH2, 3(3)43,
N4-aminopropylspermine:
NH2(CH2)3N+((CH2)3NH2)2(CH2)4NH2, 3(3)(3)4,N4-bis(aminopropyl)spermidine] (Table 1)11-14,16-18).

Fig. 1. HPLC chromatograms of the polyamines from Geobacillus jurassicus NBRC 107829 grown at 60°C (A),Caldicoprobacter algeriensis JCM 16184 grown at 70°C (B) and Hydrogenobacter sp. JCM 17650 grown at 70°C (C).
HPLC chromatograms are shown by Hitachi L-6000 with a column of cation-exchange resin Hitachi 2619F at 70°C.
In the HPLC, 3(3)(3)3 was eluted latter than 3(3)(3)4. Separately quantification of 343, 334 and 3(3)4 eluted in a peakand 333 and 3(3)3 eluted in a peak was difficult, respectively, by the HPLC. Abbreviations for polyamines are given
in Table 1.

Results and Discussion
1) Order Thermotogales in Phylum Thermotogae
Cellular polyamine profiles of 16 species in this order
have been analyzed in our previous studies7,18,24,27) andpolyamines of 16 additional strains belonging to theorder were newly analyzed in the present study. Slightthermophiles, moderate thermophiles and extreme
thermophiles are included in this thermophilic order.
Marinitoga litoralis grown at 65°C contained the threelinearpenta-amines
caldopentamine(3333),
thermopentamine (3343) and homocaldopentamine
34(3334) (Fig. 2). Thermotoga hypogea grown at 75°C
contained the three linear hexa-amines homocaldohexamine (33334), thermohexamine (33343) andhomothermohexamine (33433) in addition to the threelinear penta-amines (Fig. 2). Thermotoga lettingae(NBRC 107924 formerly “Thermotoga subterranea”=NBRC 107922, Dr. K. Mori, NBRC, 2014) grown at
70°C contained 3333 and 3343 (Table 1). Thermotoga
thermarum grown at 80°C contained 3333, 3343 andcaldohexamine (33333) (Table 1). Penta-amines andhexa-amines were found in newly validated Kosmotoga
arenicorallina grown at 60°C and Kosmotoga olearia

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)grown at 65°C (Fig. 2) but not in newly validated
Oceanitoga, Mesotoga and Defluvitoga species grown at
40-55°C as well as Petrotoga species grown at 55°C27)(Table 1). The concentrations of penta-amines andhexa-amines in the two Kosmotoga species weretemperature dependent.
Three new Thermosipho species, Themosipho
africanus, Thermosipho globiformans and Thermosipho
sp. FD1 (NBRC 102157) were analyzed in the present
study. Thermosipho sp. FD1 isolated from a deep-sea
hydrothermal vent in Suiyo Seamount, Western Pacificby Univ. of Tsukuba, Japan (NBRC website, 2014) andgrown at 70°C, contained three penta-amines 3333, 3343
and 3334, whereas penta-amines were not detected in thetwo new species (Thermosipho globiformans andThermosipho africanus) as well as Thermosipho
japonica (Table 1). Phylogenetic differences in the
distribution of norspermidine (33) and norspermine (333)
were found among the nine genera of this order.
Temperature-dependent occurrences of linear pentaamines and hexa-amines were observed in the order.
2) Order Thermales in Phylum Deinococcus-Thermus
Various species and strains have been published in thegenera Thermus and Meiothermus within thisorder1,29,30,35,36). Eleven strains of Thermus were newly
published in JCM and NBRC30,35) and were supplied forthe present study. Thermus arciformis grown at 70°C
and 75°C contained 3333 and 3334 (Table 1). At least
one of the three linear penta-amines was ubiquitously
distributed within many strains of Thermus antranikienii,
T. aquaticus, T. brockianus, T. filiformis, T. igniterrae, T.
kawarayensis, T. oshimai, T. scotoductus and T.
thermophilus, previously analyzed7,8,18,24,25,27). Thermus
sp. JCM 17651 (=IC-171) (a strain of Thermus
scotoductus) lacked penta-amines (Table 1). Thermus
sp. JCM 17652 (=IC-174) (a strain of Thermus
thermophilus) contained the three penta-amines and abranched penta-amine (Table 1). Distribution profilesof the three linear penta-amines and their cellular levels
varied among different species or different strains within
the same species, as shown in Table 1. Quaternary
branched penta-amines,
N4-bis(aminopropyl)norspermidine(3(3)(3)3)
andN4-bis(aminopropyl)spermidine (3(3)(3)4) and linear
hexa-amines, 33333 and 33334 were found to be limitedin the strains belonging to T. thermophilus and T.
filiformis, grown at 70-75 °C. In the present study,
polyamine profiles of T. thermophilus HB8 (type strain)
and T. aquaticus (type strain) grown at 70°C and 75°C
are shown in Table 1. Without statistical analysis, two35

linear hexa-amines and a branched penta-amine weredetected as minor polyamines at 70°C whereas two
branched penta-amines were found as major polyaminesat 75°C in T. thermophilus. Thermus. sp. GK24
(formerly “Thermus caldophilus” isolated in Japan )grown at 70°C contained 3333 and 3(3)(3)3, however, it
resembles to T. thermophilus in its polyamine profile.
When T. filiformis JCM 11600, T. oshimai JCM 11603
and T. scotoductus JCM 11601 were cultivated under thesame growth conditions (65°C, JCM 276 medium, 3days) in the present study, a significant speciesspecificity was observed among their polyamine profiles.
Homospermidine was major in T. scotoductus and T.
oshimai while homospermidine was minor in T.
filiformis. When T. antranikianii NBRC 106113 and T.
brockianus NBRC 106112 were cultivated under thesame growth conditions (70°C, NBRC 867 medium, 3days) in the present study, similar polyamine profiles
were observed between the two.
Three strains of T. kawarayensis, JCM 12314, NBRC
106110 and NBRC 106111 were isolated from threedifferent hot springs in Japan32,35). The presence of
Na2S2O3 is essential for the growth of NBRC 10611035).
Some differences were found among their tetra-amineand penta-amine profiles under different growth
conditions. The occurrence of a tetra-amine, homospermine (444), and two hexa-amines, 33343 and 33433,
in NBRC 106111 analyzed in the present study comprisethe first report within Thermus species.
Branched tetra-amines and penta-amines have notbeen detected in the five new Meiothermus species, M.
cateniformans, M. cerbereus, M. hypogaeus, M.
granaticus and M. rufus grown at 45-60°C andRhabdothermus arcticus grown at 60°C, as well as
Meiothermus chliarophilus, M. ruber, M. silvanus, M.
taiwanensis, M. timidus and the two Oceanithermus
species, analyzed previously (Table 1).
Althoughcellular concentrations of tetra-amines such as spermine(343), 334, aminopropylhomospermidine (344) and 444
were varied in the ten Meiothermus species, thetetra-amines were rich in the species grown at 55-60°C
for optimum growth rather than the species grown at
40-50°C for their optimum growth.
Homospermidine (44) was spread in Thermus,
Marinithermus, Meiothermus and Rhabdothermus,
whereas 44 has never been found in Vulcanithermus andOceanithermus species18,27), suggesting phylogenetic
differences over the occurrence of the triamine within theorder Thermales (family Thermaceae). The distributionof tetra-amines 333 and 334 was also genus-specificamong the six genera of the order (family).

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)3) Order Aquificales in Phylum Aquificae
Moderate/extreme thermophiles grown at 60-75°C are
distributed within the order Aquificales consisting of
three families (Table 1).
Newly validated Venenivibrio stagnispumantis as wellas three other genera18,27) of the first family Hydrogenothermaceae contained a quaternary branchedpenta-amine 3(3)(3)3 (Table 1).
Seven strains of the genus Hydrogenobacter including
the Hydrogenobacter sp. strain IC-057 isolated from
Hakone hot spring, Kanagawa, Japan showed similar
polyamine profiles to other species of the second family
Aquificaceae in which 3(3)(3)3 was found as a major
polyamine (Fig. 1) (Table 1). The minor occurrence of3(3)(3)4 was estimated from the HPLC and GC analysesof the thermophile (Figs. 1 and 2). Thermospermie was
not detected in the thermophile. Halophilic “Hydrogenobacter halophilus” have a high level of the branchedpenta-amine and low triamine levels among the Hydrogenobacter strains5,18,22) (Table 1). Five other genera
Aquifex, Hydrogenivirga, Hydrogenobaculum, Thermocrinis and Thermosulfidibacter belonging to the second
family, ubiquitously contained 3(3)(3)3 as a major
polyamine10,12,18,22,27) (not shown in Table 1) (Table 2).
Newly validated Phorcysia thermohydrogeniphila aswell as three other genera18) of the third family
Desulfurobacteraceae contained another quaternary
branched penta-amine, 3(3)(3)4 as a major polyamine(Table 1). Differences in the quaternary-branchedpenta-amine types within the three families of this
phylum were reconfirmed by the present study.
4) Order Thermodesulfobacteriales in Phylum
Thermodesulfobacteria
Thermodesulfatator atlanticus (grown at 70°C), newly
analyzed in the present study, as well as Thermodesulfatator indicus (grown at 70°C), previously
analyzed27), contained 3(3)(3)4 as a major polyamine(Table 1). Significant amount of linear penta-amines
were not found in them. Their polyamine profiles weredistinguished from the polyamine profiles of anotherthermophilic genus of this order, Thermodesulfobacteriun in which 333, 334, 3333, 3334 were detectedin addition to 3(3)(3)47), as shown in Table 1.
Thermophilic Caldimicrobium and Geothermobacterium
species belonging to this order (phylum) were notavailable for our polyamine analysis.
5) Order Clostridiales in Phylum Firmicutes
Thermophilic Clostridium, Fonticella, Thermosyntropha and Defluvitalea species grown at 55-60°C
36contained spermine as a major polyamine, but notpenta-amines, as shown in the three families (Table 1).
Penta-amines were also not detected in the three speciesof the related genus Caloramator grown at 50-70°C, as
shown previously,13). Other related mesophilic genera
shown in Table 1 were similarly devoid of penta-amines.
Recently, a new thermophilic family, Caldicoprobacteraceae, was proposed36). A branched pentaamine 3(3)(3)4 was found as a major polyamine inaddition to 34 and 343 in the newly validated
Caldicoprobacter algeriensis and Caldicoprobacter
guelmensis grown at 70°C (Table 1 and Figs. 1 and 2).
This is the first report on the occurrence of a branchedpenta-amine within this order. At the same growthtemperature, the profile was shifted to more tetra-amineand penta-amine-rich profiles in the former species.
Another published species, Caldicoprobacter oshimai,
was not available in the present study.
Three linear penta-amines and four linear hexa-amines
were found in Thermaerobacter sp. JCM 15564 (strainSS) isolated from sewage sludge in Kagoshima, Japan38)(Table 1). Between the level of 333, 3333, and 33333
produced from 33 and the level of 343, 334, 3334, 3343,
33334, 33343 and 33433 produced from 34, somedifferences were observed among the five Thermoaerobacter strains analyzed (Table 1).
Thermoaerobacter sp. SS more closely resembles the threemarine Thermaerobacter species than terrestrial Thermoaerobacter composti isolated from food sludge compostin Miyagi, Japan41) in their polyamine profiles. In fact,
T. composti could not grow in more than 1% NaCl andwas grown under 0.1% NaCl/0.1% MgSO4/0.2% CaCl2,
whereas T. sp. SS as well as the three marine species wasgrown under 2% NaCl, suggesting that their polyamine
profiles depend on their halo-tolerancy.
Thermoacidophilic Sulfobacillus acidophilus as a reference inthe family XVII contained 34 and 343 (Table 1).
6) Order Thermoanaerobacterales in Phylum
Firmicutes
In the family Thermoanaerobacteraceae, carboxydotrophic Carboxydothermus pertinax and Calderihabitans
maritimus were isolated in Japan35,36). Spermidine andspermine were the major polyamines: penta-amines were
not detected in the two newly validated moderate
thermophiles grown at 65°C, as shown in Table 1.
Calderihabitans as well as Moorella and Ammonifex
belong to the Moorella group as a lineage in this family.
It has been shown that Moorella mulderi and Moorella
thermoautotrophica contained 3(3)4 and 3(3)(3)46,18).
When two Moorella thermoacetica (formerly Clost-Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)ridium thermoaceticum) strains JCM 9319 (=ATCC
35608) and JCM 9320 grown at 65°C and 60°C,
respectively in the present study, 3(3)4 and 3(3)(3)4 were
not found. In our previous studies, other thermophiles,
Thermoanaerobacter, Thermanaeromonas, Caldanaerobacter, Desulfovirgula, Fervidicola and Ammonifex
species belonging to this family, grown at 65-70°C,
contained penta-amines, 3(3)(3)4 and/or 3(3)4313,18,27)(not shown in Table 1) (Table 2). Penta-amines were
not detected in Gelria and Tepidanaerobacter speciesgrown at 50°C13, 27).
In the family Thermodesulfobiaceae, 3(3)4 and3(3)(3)4 were not detected in Thermodesulfobium
narugense NBRC 100082 (isolated from Narugo hot
spring, Miyagi, Japan) grown at 55°C as well as
Coprothermobacter proteolyticus grown at 60°C,
previously analyzed6,18). When polyamines of Thermodesulfobium sp. NBRC 100903 (isolated from Bandai hot
spring, Fukushima, Japan) grown at an optimum
temperature of 45°C were analyzed, low levels of
putrescine, spermidine and spermine were detected(Table 1). Although they were absent in penta-amines,
a temperature-dependent polyamine concentration wasobserved among the three species.
In the family Thermoanaerobacteriaceae, Thermoanaerobacterium calidifontis, a new species of Thermoanaerobacterium, grown at 55°C contained 3(3)(3)4 in
addition to spermidine and spermine whereas Thermoanaerobacterium sp. JCM 9321 (=ATCC 39251)6)(formerly “Clostridium thermoamylolyticum”; closely
related to T. calidifontis)30) grown at 60°C contained
spermidine and spermine alone in the present study(Table 1). A penta-amine, 3(3)(3)4, has been found in
Caldicellulosiruptor and Thermovorax species grown at
60-70°C but not in the other five Thermoanaerobacterium species, T. polysaccharolyticum, T. saccharolyticum, T. thermosaccharolyticum, T. thermosulfurigenes and T. zeae grown at 50-65°C, previously
analyzed 6,27) (not shown in Table 1) (Table 2) as well as
mesophilic Syntrophaceticus schinkii grown at 37°C as
shown in Table 1.
7) Order Bacillales in Phylum Firmicutes
Cellular polyamines of various thermophiles including
neutrophilic thermophiles, acidothermophiles andalkalithermophiles within the order Bacillales have been
analyzed2,9,18,27), as shown in Table 1. Some mesophiles
grown at 30-45°C were included in the table asreferences. In the six Geobacillus species (strains)
newly analyzed in the present study, G. jurassicus grown
at 60°C contained a tertiary branched penta-amine,
37

N4-aminopropylspermine (3(3)43) as a major polyamine
in addition to 34 and 343 and minor polyamines 334 and(3(3)4) (Figs. 1 and 2).
The tertiary branchedpenta-amine has been detected in seven species (strains)of the genus Geobacillus and a species of the genus
Bacillus grown at 60-75°C, however, quaternary
branched penta-amines have never been detected in thegenera Geobacillus and Bacillus (Table 1). Linear
penta-amine and hexa-amine were not detected in all of
the Geobacillus species analyzed.
The quaternary branched penta-amine 3(3)(3)4 has
been found in four thermophiles belonging to the genus
Hydrogenibacillus, Saccharococcus, Caldalkalibacillus
and Thermobacillus9,18).
A linear penta-amine coexisted in Saccharococcus thermophilus9). Penta-amine
3343 and hexa-amine 33433 coexisted in Hydrogenibacillus schlegelii (formerly Bacillus schlegelii 31))by the recalculation of the previous GC data9,22) (Table 1).
A linear penta-amine, 3343, has been found in a speciesof Anoxybacillus grown at 50°C27).
Distribution
profiles of penta-amines and hexa-amine varied
genus-specifically in this order, however, they weredependent also on growth temperature, even within thesame thermophile. The occurrence of 3(3)43 has beenreported in the new genus Calditerricola located in thisorder34). When 3(3)(3)4 and 3(3)43 were found inthermophiles, the occurrence of a branched hexa-amine,
N4-bis(aminopropyl)spermine (3(3)(3)43) is possible,
however, the branched hexa-amine has never been
identified.
In the acidothermophiles, 343 level was higher inacidothermophilic Bacillus species grown at pH 4.0-5.0,
50-65°C than in Alicyclobacillus species grown at pH
2.0-4.3, 50-55°C (Table 1). In the alkalithermophiles,
Caldalkalibacillus thermarum grown at pH8.5, 60°C and
Thermobacillus composti grown at pH 9.0, 55°C weremore rich in polyamines than Caldalkalibacillus
uzonensis (formerly “Thermalkalibacillus uzonensis”)
grown at pH 8.2, 50°C (Table 1). Although the
influence of acidophily and alkaliphily on their cellularpolyamine profiles within the thermophiles of the order
Bacillales is not clear from the data without statisticalanalysis, the occurrence of penta-amines was noticeable
in the alkalithermophiles under the same growthtemperature conditions.
8) Order Caldisericales in Phylum Caldiserica
A single species, Caldisericum exile has been known
in the phylum33).
The occurrence of the twotetra-amines,
spermine(343)
andN4-aminopropylspermidine (3(3)4) and the absence of theJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)quaternary branched penta-amine 3(3)(3)4, as a uniquepolyamine profile, have been reported in C. exile NBRC
104410 (type strain, isolated from Otari hot spring,
Nagano, Japan) grown at 65°C 11). In our previous
studies, 3(3)4 have been detected as minor precursor
components for 3(3)(3)4 in many archaeal and bacterial
thermophiles rich in 3(3)(3)4.
In the present study, another strain of C. exile, NBRC
106117 (isolated from Nanakura hot spring, Nagano,
Japan)35), grown at 70°C contained 3343 and two otherminor polyamines 33 and 3(3)3 in addition to the two
major tetra-amines, indicating some differences inpolyamine profiles between the two strains grown at
70°C (Table 1).
When C. exile NBRC 104410 was cultivated at 60°C
and 70°C in the present study, the levels of 34, 343 and3(3)4 increased depending on their culture temperatures
60, 65 and 70°C. Two-folds of 343 and 3(3)4 levels
were found by the raising 5°C, however, the ratio of
3(3)4 to 343 was constantly about 2:1 at the three culture
temperatures (Table 1).
9) Order Desulfovibrionales in Phylum Proteobacteria
In the phylum, the occurrence of quaternary branchedpenta-amine 3(3)(3)4 has been found in the two novel
moderately thermophilic Desulfothermus naphthae andDesulfothermus okinawensis grown at 60°C18). It was
the first report of the occurrence of a branchedpenta-amine within moderately thermophilic bacteria.
Although a non-detectable amount of 343 at 60°C in theprevious study and that of 3(3)(3)4 at 55°C in the present
study are uncertain in D. naphthae, a temperaturedependent appearance of the penta-amine at 55°C and
60°C was confirmed, as shown in Table 1. The pentaamine was not found in four new mesophilic species
located in this order of the class Deltaproteobacteria,
used as a reference (Table 1).
10) Family Rhodothermaceae in Order II of Phylum
Bacteroidetes
Extremely thermophilic Rhodothermus species andmesophilic Salinibacter, Salisaeta, Rubricoccus andRubrivirga species have been published within thisfamily36). Polyamines 334, 3343, 33433 and 3(3)(3)4
have been found in Rhodothermus marinus JCM 9785
grown at 70°C24). In the present study, these longpolyamines were also found in newly validated marine
Rhodothermus profundi isolated from a deep-sea

38hydrothermal vent in the Pacific Orcean36) andnon-validated terrestrial “Rhodothermus clarus” isolated
from a terrestrial hot spring in Arima, Hyogo, Japan39)(Fig. 2). It is suggested that 33433 alone is produced
from 3343 in Rhodothermus as well as in Hydrogenibacillus of the order Bacillales. In order to discuss
the temperature dependent distributions of these longpolyamines, R. marinus JCM 9785 (formerly “Rhodothermus obamensis” isolated from a shallow marinehydrothermal vent in Nagasaki, Japan30)) was cultivated
at 65°C in the present study. Hexa-amines were notdetected in the organism (Table 1). It has been shownthat hexamines were not detected in another strain of R.
marinus ATCC 43812 isolated from a marine spring in
Iceland and grown at 70°C18). All slightly halophilicmarine and terrestrial strains were grown aerobically in a
medium, Marine Broth.
A temperature-dependent
occurrence of hexa-amine was observed, however, itvaried in the four Rhodothermus species as shown in
Table 1.
Two marine mesophiles Rubricoccus marinus andRubrivirga marina, were cultivated at three different
temperatures. Rubricocus marinus lacked a significant
amount of polyamines and Rubrivirga marina contained
putrescine (4) and homospermine (44). The relative
concentration of homospermidine to putrescine in
Rubrivirga increased at higher culture temperatures(Table 1).
Low spermidine and homospermidine
concentrations in mesophilic extremely halophilic
Salinibacter ruber grown at salt concentrations between
20-30 % have been observed19). Salinibacter iranicus,
S. luteus and Salinisaeta longa were not available in thepresent study. Homospermine (444) was found but
penta-amines was not in a moderate thermophile,
Thermonema lapsum (grown at 65°C) belonging to theorder III of this phylum8).

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)39Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)40Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)41Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)42Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)43Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)44Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)45Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)46Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Fig. 2. GC chromatograms of the polyamines from Geobacillus jurassicus NBRC 107829 grown at 60°C (A),Caldicoprobacter algeriensis JCM 16184 grown at 70°C (B), Marinitoga litoralis JCM 15581 grown at 65°C (C),
Thermotoga hypogea NBRC 106472 grown at 75°C (D), Kosmotoga olearia NBRC 109654 grown at 65°C (E),
Hydrogenobacter sp. JCM 17650 grown at 70°C (F), Rhodothermus profundi JCM 15944 grown at 60°C (G) and“Rhodothermus clarus” JCM 13927 grown at 70°C (H). GC chromatograms are shown by SHIMADZU GC-17A witha capillary column at 120°C-16°C /min-280°C (A-2, C, G, H) or by JEOL JMS-700 with a capillary column at
90°C-16°C /min-280°C (A-1, B, E, F) or 110°C -15°C /min-280°C (D). It has been known that 3(3)(3)3 is converted
to 3(3)3 and 3(3)(3)4 is converted to 3(3)3 and 3(3)4 at a ratio of 3:1 during the GC. Native amount of 3(3)4 in thethermophiles containing 3(3)(3)4 was not detectable by the GC. The amount of 343 calculated in the GC was minus
from a 343/3(3)4 peak in the HPLC to estimate the amount of 3(3)4. Separation of 33433 and 33343 in the GC and
GC-MS was difficult, however, the ratio between them were calculated by the mass spectrum of the peak 33433/33343
peak in the GC-MS. A part of agmatine is destroyed during the GC analysis. Abbreviations for polyamines are given
in Table 1.

47

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)48

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Conclusion
In five other phyla located out of the ten present taxa
(phyla) within 30 bacterial phyla of the domain Bacteria,
linear penta-amines and/or hexa-amines have been foundin the genera Dictyoglomus of the order Dictyoglomalesof the phylum Dictyoglomi, Thermodesulfobivrio of theorder Nitrospirales of the phylum Nitrospirae,
Thermomicrobium of the order Thermomicrobiales of thephylum Chloroflexi and Anaerobaculum of the order
Synergistales of the phylum Synergistetes 2,12,28).
Quaternary branched penta-amines have been detected in
the genus Thermoleophilum of the order Thermoleophilales of the phylum Actinobacteria22,28).
The distribution of linear penta-amines, linear
hexa-amines, tertiary branched tetra-amines, tertiarybranched penta-amines and quaternary branched penta49

amines within the ten thermophilic bacterial taxa
analyzed in the present study and the five otherthermophilic bacterial taxa previously analyzed aresummarized in Table 2.
Although many extreme thermophilic bacteria
contained branched polyamines or long linear
polyamines separately, the two polyamine-types weremixed in some extreme thermophiles.
Polyamine
distribution profiles seem to be correlated with thephylogenetic evolution of bacterial thermophiles
including acidothermophiles and alkalithermophiles inhigh temperature environments on the Earth. Therefore,
additional polyamine catalogues of new extremophilic
members should be presented to define their association
with their chemotaxonomy and extremophily.

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Acknowledgments
This study was carried out as a joint research project「Polyamine distribution profiles as a chemotaxonomic
marker in Bacteria and Archaea」between Maebashi
Institute of Technology (Hamana K and Hayashi H) and
JCM, RIKEN BioResource Center (Itoh T and Ohkuma
M). Dr. Niitsu M (Josai University) joined by GC and
GC-MS analyses of polyamines. We would like tothank Dr. Koji Mori and Dr. Yoshihito Uchino of NBRC
for their supply of the purchased NBRC strains. We
also thank Dr. M.-L. Fardeau of Laboratoire deMicrobiologie, IRD, Aix-Marseille Universite for thedeposit of Mesotoga infera JCM 18154 in JCM.

References
1) Balkwill, D.L., Kieft, T.L., Tsukuda, T.,
Kostandarithes, H.M., Onstott, T.C., Macnaughton, S.,
Bownas, J., and Fredrickson, J.K. 2004. Identificationof iron-reducing Thermus strains as Thermus
scotoductus. Extremophiles 8: 37-44.
2) Hamana, K. 1999. Polyamine distribution cataloguesof clostridia, acetogenic anaerobes, actinobacteria,bacilli, heliobacteria and haloanaerobes withingram-positive eubacteria -Distribution of spermine
and agmatine in thermophiles and halophiles-.
Microbiol. Cult. Coll. 15: 9-28.
3) Hamana, K. 2002. Polyamine distribution pattern andchemotaxonomy of bacteria. Microbiol. Cult. Coll.
18: 17-43 (in Japanese).
4) Hamana, K. 2002. Extraction and HPLC analysis ofbacterial polyamines. Ann. Gunma Health Sci. 23:
149-153 (in Japanese).
5) Hamana, K., Hamana, H., and Itoh, T. 1995.
Polyamines in the hydrogen-oxidizing eubacteria
Hydrogenobacter, Calderobacterium and Hydrogenovibrio and sulfur-redusing archaebacteria Stygiolobus and Desulfurolobus. Microbios 81: 223-229.
6) Hamana, K., Hamana, H., Niitsu, M., and Samejima,
K. 1996a. Polyamines of thermophilic Gram-positive
anaerobes belonging to the genera
Caldicellulosiruptor, Caloramator, Clostridium, Coprothermobacter, Moorella, Thermoanaerobacter and
Thermoanaerobacterium. Microbios 85: 213-222.
7) Hamana, K., Hamana, H., Niitsu, M., Samejima, K.,
and Itoh, T. 1996b. Distribution of long anf branchedpolyamines in thermophilic eubacteria and hyperthermophilic archaea. Microbios 85: 19-33.
8) Hamana, K., Hamana, H., Niitsu, M., Samejima, K.,
and Mtsuzaki, S. 1992. Distriution of unusual longand branched polyamines in thermophilic eubacteria
50

belonging to Rhodothermus, Thermus and Thermonema. J. Gen. Appl. Microbiol. 38: 575-584.
9) Hamana, K., Hamana, H., Niitsu, M., Samejima, K.,
Sakane, T., and Yokota, A. 1993. Tertiary andquaternary branched polyamines distribution inthermophilic Saccharococcus and Bacillus. Microbios 75: 23-32.
10) Hamana, K., Hamana, H., Shinozawa, T., Niitsu, M.,
Samejima, K., and Itoh, T. 1999. Polyamines of thethermophilic eubacteria belonging to the genera
Aquifex, Thermodesulfobacterium, Thermus andMeiothermus, and the thermophilic archaebacteria
belonging to the genera Sulfurisphaera, Sulfophobococcus, Stetteria, Thermocladium, Pyrococcus,
Thermococcus, Methanopyrus and Methanothermus.
Microbios 97: 117-130.
11) Hamana, K., Hayashi, H., and Niitsu, M. 2010. A
tertiary branched tetra-amine, N4-aminopropylspermidine is a major cellular polyamine in ananaerobic thermophile, Caldisericum exile belonging
to a new bacterial phylum, Caldiserica -Polyamine
catalogues of bacterial (eubacterial) and archaeal(archaebacterial) extremophiles Ⅴ -. J. Jpn. Soc.
Extremophiles 9: 75-77.
12) Hamana, K., Hayashi, H., Niitsu, M., and Itoh. T.
2009. Polyamine analysis of the thermophilic,acidophilic, alkaliphilic and radio-tolerant bacteria
belonging to the domain Bacteria and methanogens,thermophiles and extreme halophiles belonging to thedomain Archaea -Polyamine catalogues of bacterial(eubacterial) and archaeal (archaebacterial) extremophiles Ⅳ-. J. Jpn. Soc. Extremophiles 8: 59-68.
13) Hamana, K, Hayashi, H., Niitsu, M., Sugata, D.,
Higuchi, K., and Itoh, T. 2011. Cellular distributionof unusual long linear and branched polyamines
within the newly validated thermophiles belonging to
the bacterial orders Thermoanaerobacterales andClostridiales -Polyamine catalogues of bacterial(eubacterial) and archaeal (archaebacterial) extremephiles Ⅵ-. J. Jpn. Soc. Extremophiles 10: 83-89.
14) Hamana, K., Hayashi, H., Niitsu, M., Takeda, A, and
Itoh. T. 2013. Cellular polyamines of alkaliphilic,
halophilic and thermophilic methanogens, andacidophilic and alkaliphilic extreme halophiles, andacidophilic thermophiles belonging to the domain
Archaea -Polyamine catalogues of bacterial(eubacterial) and archaeal (archaebacterial) extremophiles Ⅶ-. J. Jpn. Soc. Extremophiles 12: 15-28.
15) Hamana, K. and Hosoya, R. 2006. Polyamines ofthermophilic Eubacteria and Archaebacteria.
Chemistry and Biology 44: 320-330 (in Japanese).

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)16) Hamana, K., Hosoya, R., and Itoh, T. 2007.
Polyamine analysis of methanogens, thermophilesand extreme halophiles belonging to the domain
Archaea -Polyamine catalogues of bacterial(eubacterial) and archaeal (archaebacterial) extremophiles Ⅰ-. J. Jpn. Soc. Extremophiles 6: 25-31.
17) Hamana, K., Hosoya, R., Niitsu, M., Hayashi, H.,
and Itoh, T. 2008. Temperature and salt dependent
long linear and branched polyamine syntheses in thethermophiles belonging to the domain Archaea-Polyamine catalogues of bacterial (eubacterial) andarchaeal (archaebacterial) extremophiles Ⅲ-. J. Jpn.
Soc. Extremophiles 7: 21-27.
18) Hamana, K., Hosoya, R., Yokota, A., Niitsu, M.,
Hayashi, H., and Itoh, T. 2008. Distribution of long
linear and branched polyamines in the thermophiles
belonging to the domain Bacteria -Polyamine
catalogues of bacterial (eubacterial) and archaeal(archaebacterial) extremophiles Ⅱ -. J. Jpn. Soc.
Extremophiles 7: 10-20.
19) Hamana, K., Itoh, T., Benno, Y., and Hayashi, H.
2008. Polyamine distribution profiles of new
members of the phylum Bacteroidetes. J. Gen. Appl.
Microbiol. 54: 229-236.
20) Hamana, K., Itoh, T., Sakamoto, M., and Hayashi, H.
2012. Covalently linked polyamines in the cell wall
peptidoglycan of the anaerobes belonging to the order
Selenomonadales. J. Gen. Appl. Microbiol. 58: 339347.
21) Hamana, K. and Matsuzaki, S. 1992. Polyamines as achemotaxonomic marker in bacterial systematics. Crit.
Rev. Microbiol. 18: 261-283.
22) Hamana, K., Niitsu, M., Matsuzaki, S., Samejima, K.,
Igarashi, Y., and Kodama, T. 1992. Novel linear andbranched polyamines in the extremely thermophiliceubacteria Thermoleophilum, Bacillus and Hydrogenobacter. Biochem. J. 284: 741-747.
23) Hamana, K., Niitsu, M., Samejima, K., and Itoh, T.
2001. Polyamines of the thermophilic eubacteria
belonging to the genera Thermosipho, Thermoaerobacter, and Caldicellulosiruptor. Microbios 104:
177-185.
24) Hamana, K., Niitsu, M., Samejima, K., Itoh, T.,
Hamana, H., and Shinozawa, T. 1998. Polyamines of
the thermophilic eubacteria belonging to the genera
Thermotoga, Thermodesulfovibrio, Thermoleophilum,
Thermus, Rhodothermus and Meiothermus, and thethermophilic archaebacteria belonging to the genera
Aeropyrum, Picrophilus, Methanobacterium andMethanococcus. Microbios 94: 7-21.

5125) Hamana, K., Niitsu, M., Samejima, K., andMatsuzaki, S. 1991. Polyamine distribution inthermophilic eubacteria belonging to Thermus andAcidothermus. J. Biochem. 109: 444-449.
26) Hamana, K., Otsuka, E., Eguchi, F., and Niitsu, M.
2005. Occurrence of homospermidine and canavalmine as a major polyamine in mushrooms. Mushroom Sci. Biotech. 13: 95-102.
27) Hosoya, R., Hamana, K., Niitsu, M., and Itoh, T.
2004. Polyamine analysis for chemotaxonomy ofthermophilic eubacteria: Polyamine distribution
profiles within the orders Aquificales, Thermotogales,
Thermodesulfobacterials,
Thermales,
Thermoanaerobacteriales, Clostridiales and Bacillales. J.
Gen. Appl. Microbiol. 50: 271-287.
28) Hosoya, R., Yokoyama, Y., Hamana, K., and Itoh, T.
2006. Polyamine analysis within the eubacterial
thirteen phyla Acidobacteria, Actinobacteria,
Chlorobi, Chloroflexi, Chrisiogenetes, Deferribacteres, Fibrobacteres, Firmicutes, Fusobacteria,
Gemmatimonadetes, Nitrospirae, Planctomycetes,
and Verrucomicrobia. Microbiol. Cult. Coll. 22:
21-33.
29) Hreggvidsson, G.O., Skirnisdottir, S., Smit, B.,
Hjorleifsdottir, S., Marteinsson, V.Th., Petursdottir, S.,
and Kristjansson, J.K. 2006. Polyphasic analysis ofThermus isolates from geothermal areas in Iceland.
Extremophiles 10: 563-575.
30) JCM Catalogue of Strains, RIKEN BioResource
Center, Japan Collection of Microorganisms (JCM).
JCM website, 2014 (http://www.jcm.riken.go.jp/).
31) Kampfer, P., Glaeser, S.P., and Busse, H.-J. 2013.
Transfer of Bacillus schlegelii to a novel genus andproposal of Hydrogenibacillus schlegelii gen. nov.,comb. Extremophiles 9: 81-84.
33) Mori, K., Yamaguchi, K., Sakiyama, Y., Urabe, T.,
and Suzuki, K. 2009. Caldisericum exile gen. nov., sp.
nov., an anaerobic, thermophilic, filamentous
bacterium of a novel bacterial phylum, Caldiserica
phyl. nov., originally called the candidate phylum
OP5, and description of Caldisericaceae fam. nov.,
Caldisericales ord. nov. and Caldisericia classis nov.
Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 59: 2894-2898.
34) Moriya, T., Hikota, T., Yumoto, I., Terui, Y.,
Yamagishi, A., and Oshima, T. 2011. Calditerricola
satsumensis gen. nov., sp. nov. and Calditerricola
yamamurae sp. nov., extreme thermophiles isolated
from a high-temperature compost. Int. J. Syst. Evol.
Microbiol. 61: 631-636.
35) NBRC Catalogue of Biological Resources.
Department of Biotechnology, National Institute ofJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Technology and Evaluation (NITE). NBRC website,
2014 (http://www.nbrc.nite.go.jp/)
36) NCBI (National Center for Biotechnology
Information, US National Library of Medicine),
Taxonomy browser (Bacteria). NCBI website, 2014(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/).
37) Niitsu, M., Samejima, K., Matsuzaki, S., andHamana, K. 1993. Systematic analysis of naturally
occurring linear and branched polyamines by gas
chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr.
641: 115-123.
38) Shiotsuka, K., Tanaka, A., and Sakai, K. 2010.
Occurrence of extreme thermophiles, Thermoaerobacter spp., in sewage sludge. J. Jpn. Soc.
Extremophiles 9: 67-71.

5239) Tanaka, R., Sako, Y., and Maeda, H. 2008.
Rhodothermus clarus sp. nov., a strictly aerobic,
thermophilic bacterium isolated from a terrestrial hot
spring. Bull. Graduate School of Bioresources, Mie
Univ. 35: 39-45.
40) Terui, Y., Ohnuma, M., Hiraga, K., Kawashima, E.,
and Oshima, T. 2005. Stabilization of nucleic acids
by unusual polyamines produced by an extreme
thermophile, Thermus thermophilus. Biochem. J.
388: 427-433.
41) Yabe, S., Kato, A., Hazaka, M., and Yokota, A. 2009.
Thermaerobacter composti sp. nov., a novel
extremely thermophilic bacterium isolated fromcompost. J. Gen. Appl. Microbiol. 55: 323-328.

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13, 53-58

ORIGINAL PAPER

Ding LYa, Watanabe Ka and Yasui Ma,b

Purification of thermophilic superoxide dismutase by utilizing the surfactantabDivision of Chemical and Materials Engineering, Muroran Institute of Technology,
Division of Applied Sciences, Muroran Institute of Technology, 27-1 Mizumoto, Muroran 050-8585, Japan

Corresponding author: Mitsukuni Yasui, yasui@mmm.muroran-it.ac.jp
Phone: +81-143-46-5748, Fax: +81-143-46-5701
Received: Oct. 25, 2014 /Revised: Nov. 21, 2014 /Accepted: Nov. 21, 2014
Abstract Superoxide dismutase (SOD) is an enzymethat alternately catalyzes the dismutation of anion
radicals in living cells.
Manganese type SOD(MnSOD) has been purified and partially characterizedfrom the thermophilic bacteria; Bacillus stearothermophilus strain C36. The purification was achieved
using a column chromatography on Sephacryl S-200 in
the presence of lauryl dodecyl sulfate (SDS). SDS wasused to separate MnSOD from other proteins. The final
recovery rate was 33 %. This recovery rate was muchhigher than other authentic methods (1.6 % – 13.6 %).
This SDS-containing gel chromatography was available
for the purification of a protein from the otherthermophile.
Introduction
Oxygen, known to be essential for life, is the primary
component of reactive oxygen species, which areproduced in organisms as the natural byproducts of anoxidative metabolism25). These byproducts, such as
superoxide anion and hydrogen peroxide, can be toxic tocells and tissues by causing oxidative stress12,22,28).
Superoxide damage has been associated with diseases
and conditions such as neurodegenerative diseases,
inflammation, cataract, intestinal fat absorption andradiation damage4,21,24,26). Superoxide dismutase (SOD,
EC 1.15.1.1) is a family of important antioxidant
metalloenzymes that catalyze the dismutation ofsuperoxide anion, thereby protecting cells from theharmful effects of superoxide radicals.
Given the nature of SOD as a detoxifying reactive
oxygen species protein12,13), it is used for pharmaceuticaland clinical medicine, as well as in the cosmetic industry.
For example, SOD can be used to increase the radio

53

protection of cells through pre-exposure to oxidative
stress3,27).
A major requirement for the industrial use ofcommercial SOD is thermal stability, because thermal
denaturation is a common cause of enzyme inactivation.
Compared with organic enzymes in industrial production,
the characteristics of enzymes from thermophilic bacteria
are high thermal stability.
Research concerning the use of thermophilic bacteria,
Bacillus stearothermophilus1,6,7,8,32), as a source of SOD
appeared very early in the literatures; amino acidsequence of the SOD was known and the SOD wasshown to have very high stability.
Generally, the SOD purification procedure can bedivided into the following steps: heat treatment;ammonium sulfate precipitation; ion exchange
chromatography and gel filtration chromatography15,17).
A purification method of SOD from Escherichia coli B17)
uses two kinds of chromatography methods: CM-52 andDE-32, but only gives a 3800 U/mg specific activity and
12 % recovery rate.
Similarly, thermostable SOD was
also purified from the thermophilic bacteria Bacillus
licheniformis M20 using Phenyl-Sepharose, DEAESepharose, Sephadex G-100 and Sephadex G-505). It
was shown that hydrophobic interaction chromatography
was effective in purification of SOD from thermophilic
bacteria. The recovery rate in other reports was low;
1.6 % to 13.6 %5,17,18,20).
The thermophilic bacteria Bacillus stearothermophilus,
strain C36, and the representative thermophilic bacteria
Bacillus stearothermophilus, strain IFO12550, are of thesame species. Strain C36 is a very good producer of
SOD, yielding more than three times the SOD than the
IFO12550 strain in the same culture condition18,30).

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)However, it was very difficult to purify SOD because it
forms a complex with other proteins. In order to purify
the SOD with a high recovery rate, we improved theisolation method by using a solution containing
surfactant SDS. There is the first report to utilize SDS
for SOD preparation.
Materials and Methods
Materials and chemicals
DEAE Sepharose fast flow and Sephacryl S-200 highresolution were obtained from GE Healthcare
Bio-Sciences. 2-Mercaptoethanol, Nitro Blue Tetrazolium Chloride (NBT), Sodium dodecyl sulfate (SDS,
biochemical grade) were produced by Wako purechemical Industries, Ltd. Tris (hydroxymethyl) aminomethane was produced by Nakarai Tesque, inc.
Cell Culture
Bacillus stearothermophilus strains, IFO12550 and
C36, were cultured in the modified LB culture
medium18,30) containing 1 g Polypeptone, 0.5 g Yeast
Extract, 0.5 g sodium chloride (NaCl) and 0.1 mM
MnSO4 per 100 ml solution. The medium was cultured
on a shaker; 150 rpm at 60 °C for 6 hours.
Purification of SODi) The cultured bacterial cells were broken by ultrasonicdisintegration (four times in an ice backed for 30 seconds
at level 2, 2.0 MPa, Branson Sonifier 250) with thebuffer: 10 mM Tris-HCl (pH 8.0)，10 mM PMSF, 10 mM
EDTA and 10 mM 2-Mercaptoethanol, and were thencentrifuged at 12,700 g for 10 minutes at 4 °C. Solidammonium sulfate was added into the supernatant to agive of 80 % saturation at 4 °C. After sitting for 20
minutes the mixture was then centrifuged at 12,700 g for
20 minutes at 4 °C. The precipitate was suspended witha buffer of 10 mM Tris-HCl (pH 8.0), and then dialyzed
against 100 folds volume of the buffer: 10 mM Tris-HCl(pH 8.0), 0.1 mM PMSF and 0.1 mM MnSO4 to remove
the ammonium sulfate.
ii) After the dialysis for overnight, the SOD was
separated by anion-exchange chromatography and gel
filtration chromatography at room temperature. The
proteins were introduced into a column of DEAE
Sepharose fast flow gel (φ2 x 10 cm) which had beenequilibrated with a buffer of 20 mM Tris-HCl (pH 8.0).
A stepwise elution was applied: 50 ml of 20 mM
Tris-HCl (pH 8.0), 0.05 M NaCl; 50 ml of 20 mM
Tris-HCl (pH 8.0), 0.1 M NaCl; 50 ml of 20 mM
Tris-HCl (pH 8.0), 0.5 M NaCl. The elution was
54

collected at 100 drops per fraction and was measured by
UV-absorbency at 280 nm. Zymogram electrophoresis
was used to determine the SOD activity, and the active
fractions (20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 0.1 M NaCl) weremade to 80 % saturation by adding ammonium sulfate.
iii) Sephacryl S-200 high resolution gel in a column(φ1.8 x 60 cm) was applied with the solutions : buffer of 20
mM Tris-HCl (pH 8.0), 0.5 M NaCl, 0.1 % SDS. SOD
activity was detected on the second peak ofchromatography.
Electrophoretic assay
Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) was carried out according to theLaemmli method19) using a 4.5 % stacking gel and12.5 % separating gel. Protein bands were stained with
Coomassie R 350 (Uppsala Sweden). The standard
molecular weight marker (AE-1440 EzStandard from
ATTO Corporation) was used. Native polyacrylamide
gel electrophoresis (Native-PAGE) was performed on the
zymogram.
SOD assay
SOD activity was determined using Nitro tetrazorium
zymogram as reported by Beauchamp and Fridovich2).
The relative activity of SOD was determined withluminol assay methods16) using “Radical catch” and the
AccuFLEX lumi 400 (ALOKA).
Effect of temperature and pH on SOD activity
The remaining SOD activity was measured after being
treated at various temperatures (25, 40, 60, 70, and
80 °C) for 1 hour in 20 mM Tris-HCl (pH 8.0). The
influence of pH on SOD activity was determined in thefollowing of buffers; 100 mM CH3COOH-CH3COONa(pH 4, 5, 6), 100mM NaH2PO4-Na2HPO4 (pH 6, 7, 8),
100 mM Tris-HCl (pH 8, 9, 10) and 100 mM
Glycine-NaOH (pH 10, 11, 12).
Results
Purification of SOD in the presence of SDS
MnSOD from Bacillus stearothermophilus strain C36
was purified using ammonium sulfate, dialysis,anion-exchange chromatography and gel filtration
chromatography.
SOD was purified in gel filtration chromatography,
0.1M NaCl, 20 mM Tris-HCl (pH 8.0). SDS-PAGE
shows that, under these conditions, SOD was obtainedwith other proteins (Fig. 1A lane R).
For thepurification of SOD in gel filtration chromatography,

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)0.1 % SDS and 0.5 M NaCl was added to 20 mM
Tris-HCl (pH 8.0). SDS-PAGE shows that, under these

conditions, SOD was completely purified (Fig. 1A lane
S). Fig. 1B shows that the SOD retained its activity.

Fig. 1. Electrophoresis of purified SOD.
A, SDS-PAGE; B, Zymogram, lane M, molecular marker, lane R, purified SOD
in the absence of SDS, lane S, purified SOD in the presence of SDS.

Properties of the SOD
The activity of the SOD was measured under various
pH conditions. SOD displayed activity under pH levels
ranging from 4 to 12 (Fig. 2). The optimum condition
was using the buffer Tris-HCI at a pH 8.0. Also thepurified SOD retained more than 90 % of its activity
between pH 7.0 to pH 9.0. Compared with otherthermophilic SOD, the pH range was similar5,9).
Thermal stability of SOD activity was measured from
25 °C to 80 °C. It was shown that SOD retained morethan 90 % of its activity after an hour at 25 °C, andretained about 80 % of its activity after an hour at 60 °C(Fig. 3). SOD from Rhodothermus sp., Bacillus licheniformis, and Thermomuces lanuginosus also retained
80 % of their activity after an hour at 60 °C5,9,31).
When incubated at 70 °C or 80 °C, the decrease inactivity was very rapid. There was significant loss of
SOD activity at temperatures higher than 80 °C (data notshown).
SOD purification is summarized in Table 1. The
MnSOD specific activity was 5,655 U/mg and recovery
rate was 33 %.

55

Discussions
Our methods using SDS was applied for the
purification of SOD from Bacillus stearothermophilus
strain IFO12550 as a representative thermophilic
bacterium. This demonstrated that our method issuitable for purifying SOD from Bacillus stearothermophilus strain IFO12550 (data not shown), and it isprobable that this method is also applicable for the
purification of SOD from the other thermophilic bacteria.
This method would be applicable for the separation ofother proteins aggregated with the other protein.
However, most proteins would lose their native
conformation and activity during the process. To
overcome this, Suzuki proposed that SDS could be
removed from the protein, allowing it to recover its
activity29).
The experiments of purified SOD using Bacillus
stearothermophilus strain C36 provided the following
two advantage points. The purified SOD is highly
stable, and the recovery rate was also high.

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Fig.2. pH stability of purified SOD.
Circle,100mM CH3COOH-CH3COONa (pH 4, 5, 6); square, 100mM
NaH2PO4-Na2HPO4 (pH 6, 7, 8); triangle, 100mM Tris-HCl (pH 8, 9, 10) andrhombus,100mM Glycine-NaOH (pH 10, 11, 12).

Fig. 3. Thermal stability of purified MnSOD.
Temperatures; circle, 25°C; triangle, 40°C; square, 60°C; rhombus, 70°C and cross, 80°C
in the same solution which was 20mM Tris-HCl (pH 8.0) and lasted for an hour. SOD
without heat treatment in a solution of 20 mM Tris-HCl (pH 8.0) was considered 100%.

56

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Table 1. Purification of the MnSOD from Bacillus stearothermophilus strain C36.

References
1) Bannister Joe V., Alessandro Desideri and Giuseppe
Rotilio. 1985. Replacement of Mn(Ⅲ) with Cu(Ⅱ) in
Bacillus stearothermophilus superoxide dismutase.
FEBS Lett. 188:91-95.
2) Beauchamp C. and Fridovich I. 1971. Superoxidedismutase: improved assays and as assay applicable toacrylamide gels. Analytical Biochemistry. 44:276–287
3) Belikova N.A., Glumac A., Rafikov R., Jiang J.,
Greenberger J.S., Kagan V.E. and Bayir H. 2009.
Radioprotection by short-term oxidative preconditioning: Role of manganesesuperoxide dismutase.
FEBS Letters 583 :3437–3442
4) Berlett B.S. and Stadtman E.R. 1997. Proteinoxidation in aging, disease, and oxidative stress. J. Biol.
Chem. 272:20313-20316
5) Boyadzhieva I.P., Atanasova M. and Emanuilova E.
2010. A novel, thermostable manganese-containing
superoxide dismutase from Bacillus licheniformis,
Biotechnol Lett. 32:1893–1896
6) Bridgen J., Harris J.I. and Kolb E. 1976. Superoxide
dismutasefrom
Bacillus
stearothermophilus:
Crystallization and preliminary X-ray diffraction
studies. J.Mol.Biol.105:333–335
7) Brock, C.J. and Harris J.I. 1977. Superoxide
dismutase from Bacillus stearothermophilus: reversible
removal of manganese and its replacement by othermetals. Biochem. Soc. Trans. 5(5):1537-1539
8) Brock C.J. and Walker J.E. 1980. Superoxide
dismutase from Bacillus stearothermophilus. Completeamino acid sequence of a manganese enzyme.
Biochemistry. 19:2873-2882
9) Duo-Chuan Li, Jing Gao, Ya-Ling Li, and Jing Lu.
2005. A thermostable manganese-ontaining superoxide
dismutase from the thermophilic fungus Thermomyces
lanuginosus. Extremophiles. 9:1-6
10) Emregul E. 2005. Development of a new biosensor

57

for superoxide radicals. Anal. Bioanal. Chem.
383:947–954
11) Guo F.X., Shi-Jin E., Liu S.A., Chen J. and Li D.C.
2008. Purification and characterization of a thermostable MnSOD from the thermophilic fungus
Chaetomium thermophilum,. Mycologia. 100(3):375-380
12) Fridovich I. 1978. Superoxide dismutases: Defenseagainst endogenous superoxide radical. Ciba Found.
Symp. 65: 77–93
13) Fridovich I. 1995. Superoxide radical and superoxide
dismutases. Annu. Rev. Biochem. 64: 97–112
14) Halliwell, B. 1992. Reactive oxygen species and thecentral nervous system. J. Neurochem. 59:1609-1623
15) Hayakawa T., Kanematsu S. and Asada K.. 1985.
Purification and characterization of thylakoid-boundMn-superoxide dismutase in spinach chloroplasts.
Planta. 166:111-116
16) Huu T.P., Marquetty C., Pasquier C. and Hakim J.
1984. Luminol assay for mircrodetermination ofsuperoxide dismutase activity. Anal. Biochem. 142:
467-47217) Keele B.B., McCord J.M. and Fridovich I. 1970.
Superoxide dismutase from Escherichia coli B. J. Biol.
Chem. 246(9): 6176-6181
18) Kikuchi S., Shibayama J., Yasui M., Takeuchi T.,
Yamamoto I. and Sato M. 1993. Purification of
α-amylase by an immobilized theromophilic Bacillus
strain under nitrate respiration, Bioscience Biotechnology & Biochemistry. 57(5): 845-846
19) Laemmli U.K .1970. Cleavage of structural proteinsduring the assembly of the head of Bacteriophage T4.
Nature. 227:680-685
20) Li D.C, Gao J., Li Y.L. and Lu J. 2005.
Athermostablemanganese-containing
superoxide
dismutase from the thermophilic fungus Thermomyces
lanuginosus. Extremophiles. 9: 1–6

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)21) Lubrano V., Di Cecco P., Zucchelli G.C. 2006. Roleof superoxide dismutase in vascular inflammation andin coronary artery disease. Clin. Exp. Med. 6:84–88
22) McCord J.M. and Fridovich I. 1969. Superoxide
dismutase: An enzymic function for erythrocuprein(hemocuprein). J. Biol. Chem. 244: 6049–6055
23) Ng E.S., Jourd’heuil D., McCord J.M., Hernandez D.,
Yasui M., Knight D. and Kubes P. 2004. EnhancedSnitroso-albumin formation from inhaled NO
duringischemia / reperfusion. Circ Res. 94(4): 559–56524) Oka S., Ogino K., Houbara T, Yoshida, S., Okazaki,Y., Takemoto, T., Kano, N., Iida, Y. and Uda, T.. 1990.
An immunohistochemical study of copper, zinccontaining superoxide dismutase detected by amonoclonal antibody gastric mucosa and gastric cancer.
Histopathology. 17(3):231-236
25) Paker M.W. and Blake C.C. 1988. Iron andmanganese-containing superoxide dismutases can be
distinguished by analysis of their primary structures.
FEBS Lett. 229:377-382
26) Petkau A., Chelack W.S., Pleskach S.D., Meeker B.E.
and Brady C.M. 1975. Radioprotection of mice by

58

superoxide dismutase. Biochem. Biophys. Res.
Commun. 65:886–893
27) Dhar S.K., St Clair D.K. 2012. Manganesesuperoxide dismutase regulation and cancer. Free Radic.
Biol. Med. 52: 2209-2222
28) Scandalios J. G. 1993. Oxygen stress and superoxide
dismutases. Plant Physiology. 101:7-12
29) Suzuki H. and Terada T. 1988. Removal of dodecyl
sulfate from protein solution, Anal Biochem.
172:259-263
30) Watanabe K., Kusumi K., Yun D.L., Yasui M. 2013.
Amino
acid
replacementsofthermophilic
Mn-superoxide dismutase enhanced detergent tolerance.
Journal of Japanese Society for Extremophiles. 12:
45-4931) Xin Wang, Haijie Yang, Lingwei Ruan, Xin Liu,Fang Li, Xun Xu. 2008. J. Ind. Microbiol Biotechnol.
35, 133-139
32) Zeikus J.G. 1979. Thermophilic bacteria: Ecology,
physiology and technology. Enzyme and Microbial
Technology. 1 (4):243-252

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)MINI REVIEWJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13, 59-62

Ichihashi N

Understanding of evolution through the constructionof a simple self-replication system.
生命は如何に進化しうるのか-合成生物学的アプローチ
大阪大学情報科学研究科、JST・ERATO
市橋 伯一〒565-0871 大阪府吹田市山田丘１－５ 大阪大学情報科学研究科

B715

Corresponding author: 市橋伯一, ichihashi@ist.osaka-u.ac.jp
Phone: 06-6879-4151,Fax: 06-6879-7433
Received: Nov., 10, 2015 / Accepted: Dec. 22, 2014
何も証拠がないのも事実である。誰も化合物の集合
体が自己増殖して進化するところを見たことがなく、そのような現象が現実的に起こりうるのかは全く明らかではない。私達は、化合物の集合が多種多様な生命へと進化するという奇跡的なプロセスが、どうやったら達成可能なのかを知りたい。そのための最も直接的な方法は、進化する能力をもつ化合物の集合体を実際に作ってみて、その進化を直接観察することだと考えた。幸いにも近年の合成生物学的手法の発展は、試験管内での遺伝子の翻訳や微小区画内での生化学反応などを可能にしている。そこで我々のグループでは、遺伝情報を複製し進化するという生命の根幹の機能をもつシステムを、分子を組み合わせることにより試験管内で構築することを試みた。

Abstract How did living things appear on early earth?
Answering this question is a large challenge for humanbeing. This question is separated to two different
questions: how can a living thing emerge from anassembly of molecules and can such an emergence occur
on early earth. We are attempting to answer the former
question by constructing life-like systems in a test tube.
To date, we have constructed an artificial genome RNA
replication system by combining an artificial genome
RNA, the reconstituted translation system of Escherichia
coli, and micro-scale water droplets dispersed in oil(water-in-oil emulsion). This system has several
characteristics of living things, the translation of a gene,
the replication of genome, and spontaneous evolution.
By using this system as a starting point, we believe that
we can develop a life-like system indistinguishable fromnatural living cells, and through the construction wewould find an answer to the first question.

進化する能力をもった化合物の集合体を作るには、遺伝情報(ゲノム)とそのゲノムの情報を翻訳し、その情報に基づいてゲノムを複製する仕組みが必要である。この仕組みを達成するために、私達は RNA
複製酵素をコードし、末端にこの RNA 複製酵素の認識部位を持った人工 RNA ゲノムと 4)、大腸菌の無細胞翻訳システム 5)を用いた。RNA 複製酵素は大腸
菌のファージ Qβ由来のものを用いた。これらを反応させると、人工ゲノム RNA から RNA 複製酵素が翻訳され、その酵素により元のゲノムの相補鎖（マイナス RNA）が合成され、さらにその相補鎖の相補鎖（すなわち元のゲノム RNA）が複製されるという翻訳と共役した自己複製反応を起こすことができた（図１）。

Key words: 生命の起源、進化、合成生物学、RNA
ゲノム、寄生体 (The origin of life, evolution, synthetic
biology, RNA genome, parasite)
生命は数十億年前に化合物の集合体の中から誕生した、と一般的には言われている。その原始生命は
自己増殖能と進化能を有していたために、その後、現在見られるような多種多様な生命体へと進化できたと考えられている。このシナリオは現状で最も信憑性のある説明なのは間違いない。しかしほとんど

59

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)図１

人工 RNA ゲノム複製システム

上記の方法で RNA 複製反応を微小区画内で起こすことができるようになったが、この反応は時間が経つと全ての基質を使い切って停止してしまう。したがって、さらに区画内で反応を続けるためには、定期的に材料となる化合物や翻訳タンパク等を供給しなければならない。油中水滴を用いた場合、この供給はとても容易に達成できた。ただ材料を含んだ
水滴と一緒に撹拌するだけで水滴間の融合と分裂が起こり、材料の供給ができた（図２）。したがって、区画内で RNA 複製反応を起こした後に、材料を含んだ水滴を添加、撹拌することで材料を供給し、一部の水滴を回収して次の世代の RNA 複製反応を起こさせることにより、半永久的に RNA 複製反応を続けることができるようになった。

次に、この RNA 複製を繰り返すことによりゲノム RNA を進化させることを試みた。RNA 複製の際には複製エラーにより変異が導入される。したがって、RNA 複製反応をずっと続けていけば、そのうちに複製能力の高い変異体が現れ、その変異体は自身のコピーをより多く残すために集団内を占めるようになるはずである。これはまさに適応進化で起こる現象である。ただし、この RNA 複製システムで進化が起こるためには、もう一つ別の条件である反応の区画化と区画あたり 1 分子のゲノムが含まれるという条件が必要になる。その理由は、区画化されていてそこにゲノムが 1 分子だけが含まれていれば、
例えばより活性の高い RNA 複製酵素変異体が出現した場合、翻訳された複製酵素は間違いなく自身の情報を持つゲノムを複製することができる。一方で区画がない場合や、区画あたり複数のゲノムがある
場合は、せっかく活性の高い RNA 複製酵素変異体が出現しても、その情報を持つゲノムだけではなく他の関係ないゲノムも同程度に複製してしまうため自然選択がかからなくなる。したがって効率良く進化が起こるためには、区画化と区画あたり少数分子のゲノムという条件が必要になる。本研究では、油中水滴(water-in-oil エマルション)を使って反応液の区画化を達成した。この方法は反応液を油の中で撹拌することにより、直径 2μm 程度の微小水滴へと区画化する方法である。そして十分に低い濃度のRNA ゲノムを用いることにより、区画あたりのゲノム RNA 濃度を 1 分子以下に調整することができた。

以上で確立した区画内 RNA 翻訳・複製システムを継代したところ、継代にするにつれて RNA 複製
効率が徐々に上昇していく様子が観察された（図３、
正しくは世代１－３２では違う方法で継代している。
詳細は元論文 3）を参照されたい）。ゲノム RNA の配列を解析したところ、最終的に点変異、欠損、挿入を含む 38 種類の変異がほぼ一定の速度で固定されており、継代中に適応進化が起きたことを示している。強調したいことは、この反応で実験者が行ったのは、ただ材料となる水滴をいれて撹拌し、37℃でインキュベーションをひたすら繰り返したことだけである。変異をわざと入れたわけでもなければ、特定の RNA を選別しようとしたわけでもない。大腸60

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)RNA とタンパク質と低分子化合物の集合体である
RNA 複製システムが自発的に進化する能力を獲得したことを示している。

菌を継代培養するのと同じように、何も考えずに反応液を継代しただけで、より複製能力の高い RNA
が次から次へと出現した。これは私達が構築した

図２

ゲノム複製システムの継代方法

図３ 継代による複製能力の向上
継代を進めるにつれて平均複製活性（RNA が 2 時間の反応で何倍に増えるか）が次第に上昇した。最終的に３８種類の変異（点変異、欠損、挿入を含む）が固定されていた。複製活性は見やすさのために補正した値を示している。詳しいデータは発表論文 3)を参照されたい。

61

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)本研究で私達は物質の集まりに進化する能力を持たせることを目指した。その結果、RNA 複製酵素をコードした人工 RNA ゲノムと無細胞翻訳系、そして微小区画を組み合わせることにより、継代するだ
けで自発的に進化するシステムを得ることができた。
それではこのシステムをもっと継代していくと生命のように多種多様に進化していくのだろうか？ 残
念ながらそうはなっていない。実際にずっと継代してみたが、ある程度以上はほとんど RNA 複製能力が向上しなくなった。この結果は、生命のように進化するためにはまだ足りない条件があることを示している。いったいどういう条件が足りないのだろうか？ 1978 年にマンフレッド・アイゲンはハイパー
サイクル仮説を提唱した 2)。この仮説は原始地球で誕生した独立した自己複製体がハイパーサイクルという相互依存複製へと発展し自己複製ネットワーク
を拡張していったとする仮説である。私たちはこの仮説に従って、RNA 複製酵素をコードしたゲノムだ
けではなく、他の遺伝子をコードした別のゲノムとハイパーサイクルを形成させることにより、さらな
る進化が可能になるのではないかと期待して現在研究を進めている。
また本研究から見つかった予想外の結果として、本自己複製システムには寄生体が自然発生することを見出した。この寄生体というのはゲノム RNA か
ら複製酵素遺伝子を欠損させた短い RNA で、単独では複製できないが、ゲノム RNA と同じ区画内に入ればそのゲノムから翻訳された複製酵素に寄生して増えることができる。この寄生体は複製反応が長時間になると例外なく出現することを見出した 1)。
自然界ではウイルスなどの寄生体は現在見つかっている全ての生物種に存在することが知られており、生物とは切っても切り離せない存在であることが知62られている。上記の結果は、本研究で構築したような未だ生命とは呼べない単純な自己複製システムでも同様だということを示している。すなわち寄生体
は、生命の起源のごく初期、まだ生命と呼べないよ
うな自己複製体の段階から既に存在していたことが示唆される。この結果は寄生体の起源を考える上で興味深い知見だと思われる。もう一つ興味深い点として、私達の構築したシステムを使うと、このような寄生体との共進化実験が可能である。上で述べたように単独の進化実験ではこれ以上進化できなくなってしまっていたが、これまでに寄生体との共進化実験を行ったところ、ゲノム RNA はさらに進化を続ける様子を見せている。もしかしたら寄生体と共進化させることにより、この RNA 複製システムは新たな地平へと到達できるかもしれない。
引用文献
1) Bansho, Y., N. Ichihashi, et al. (2012). "Importance ofparasite RNA species repression for prolonged
translation-coupled RNA self-replication." Chem Biol
19(4): 478-487.
2) Eigen, M. and P. Schuster (1978). "Hypercycle Principle of Natural Self-Organization .C. Realistic
Hypercycle." Naturwissenschaften 65(7): 341-369.
3) Ichihashi, N., K. Usui, et al. (2013). "Darwinianevolution in a translation-coupled RNA replication
system within a cell-like compartment." Nat Commun
4: 2494.
4) Kita, H., T. Matsuura, et al. (2008). "Replication ofgenetic information with self-encoded replicase inliposomes." Chembiochem 9(15): 2403-2410.
5) Shimizu, Y., A. Inoue, et al. (2001). "Cell-freetranslation reconstituted with purified components."
Nat Biotechnol 19(8): 751-755.

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.12, 63-70

MINI REVIEW

Nakagawa S

Epsilonproteobacteria: specialist in specific environments
Epsilonproteobacteria：特殊環境のスペシャリスト
京都大学大学院農学研究科応用生物科学専攻海洋環境微生物学分野
海洋研究開発機構深海・地殻内生物圏研究分野
中川 聡〒606-8502 京都市左京区北白川追分町 京都大学大学院農学研究科 応用生物科学専攻海洋環境微生物学分野〒237-0061 横須賀市夏島町 2-15 独立行政法人海洋研究開発機構 深海・地殻内生物圏研究分野
Corresponding author: 中川聡, nsatoshi@kais.kyoto-u.ac.jp
Phone: 075-753-6355
Received: Nov. 29, 2014 / Accepted: Dec. 24, 2014も含めると計 19 属 128 種が記載されている。
Epsilonproteobacteria 綱は、大きく Nautiliales 目とCampylobacterales 目に分類されている。Nautiliales
目は中等度好熱性という明確な特徴を有するが、Campylobacterales 目は分類学的にも生理・生態学的にも極めて多様である。未だどちらの目にも分類されていない種が数多く存在し、本綱において高次の分類体系が確立されているとは言い難い状況にある。
（図 1）。また Epsilonproteobacteria 綱に含まれる 128
種 の 内 訳 を 見 る と 、 Helicobacter 属 （ 46 種 ）、Campylobacter 属（27 種）、Arcobacter 属（21 種）の3 属で 4 分の 3 近くを占めている。その他の属は研究の歴史が浅く、多くが未だ一属一種であるが、特定の環境において重要な生態学的役割を担い、病原性近縁種との進化的リンクも注目される。そこで本稿では Epsilonproteobacteria 綱の中でも、特にそれら新参者にフォーカスしたい。

Abstract Epsilonproteobacteria 綱は、16S rRNA 遺伝
子の塩基配列に基づく Proteobacteria 門の系統樹において、Deltaproteobacteria 綱とともに深い分岐を示す系統群である。Proteobacteria 門に含まれる 6 つの綱 （ Alpha-, Beta-, Delta-, Epsilon-, Gamma-, ZetaProteobacteria）がどのような関係性にあるかは明確
で な く 、 そ も そ も Epsilonproteobacteria 綱 はProteobacteria 門に含まれないことを示唆する研究
例も存在するが 41)、本稿では執筆時点で一般的とされる分類体系に基づき Epsilonproteobacteria 綱についてレビューする。
Key words: Epsilonproteobacteria、非病原性、化学合成独立栄養、深海底熱水活動域、共生(Epsilonproteobacteria, Nonpathogenic, Chemolithoautotroph, Deep-sea hydrothermal vent, Symbiosis)
1. はじめに：Epsilonproteobacteria 綱の分類学的特徴
Epsilonproteobacteria 綱 は 、 長 ら く Helicobacter
pylori（胃潰瘍や胃癌の原因菌）や Campylobacter
jejuni（腸炎等の原因菌）のような病原性細菌を主要構成種とする系統群であると認識されてきた 33)。しかし、様々な環境において培養に依存しない分子生物学的手法による多様性解析が進んだ結果、本綱には極めて多様な非病原性細菌が含まれることが明らかとなってきた。培養可能な非病原性
Epsilonproteobacteria は未だ限られるとはいえ、2014
年 12 月現在、Epsilonproteobacteria 綱は Candidatus

2. 非病原性 Epsilonproteobacteria の棲息環境
Epsilonproteobacteria の棲息環境は、病原性のものを含め綱レベルで俯瞰しても大変限定されており、海洋からヒトの消化管までという意味では多様ではあるが、各環境のごく一部に特化している。非病原性 Epsilonproteobacteria は、硫化水素に富む酸化還元
境界に限定的かつ優占して見つかる場合が多く、棲息環境と属レベルの分類が概ね対応している（図 1）。
例外的に深海から陸上まで広く分布しているものとして、Sulfurospirillum 属と Thiovulum 属が挙げられるが、各環境におけるこれらの優占度は一般に低い。

63

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Sulfurospirillum cavolei および Sulfuricurvum kujiense
が原油の貯蔵施設から分離されている 20)。同様にカナ ダ の 油 田 か ら 、 Sulfurimonas, Sulfurospirillum,
Sulfuricurvum, Arcobacter を 含 む 多 様 な Epsilonproteobacteria が分離・検出されており、原油の分解や脱硫に関与していると考えられている 12, 18)。

Sulfurospirillum 属の多くは海洋および淡水環境の堆積物表層から分離されており、深海底熱水活動域から も 分 離 例 が あ る 6) 。 こ の う ち 、 海 洋 由 来 のSulfurospirillum 属はゲノム DNA の GC 含量が低く、系統樹を見ても淡水環境に由来する分離株と属レベ
ルで区別すべきかも知れない（図 1）29)。人工的な環 境 に 由 来 す る Epsilonproteobacteria と し て 、

図 1. 16S rRNA 遺 伝 子 の 塩 基 配 列 に 基 づ く Epsilonproteobacteria 綱 の 系 統 樹 。 主 要 な 非 病 原 性Epsilonproteobacteria 綱について、枝の色で棲息環境（分離源）を表しており、赤は深海底熱水活動域、青はその他の海洋環境、緑は陸上環境を示す。また＊は全ゲノム配列が公開されているもの、＃は全ゲノム配列が解析されているものを示す。

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Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)特 定 の 環 境 に 限 定 し て 優 占 す る Epsilonproteobacteria として、硫化水素に富む陸域の洞窟に優占する多様な繊維状 Epsilonproteobacteria が知られている 8)。これまでのところ、洞窟から Epsilonproteobacteria の分離例は無いが、洞窟に多く検出される系統群の一部は上述の硫黄酸化細菌 Sulfuricurvum
kujiense を含む（図 1）。また、Caminibacter, Nautilia,
Lebetimonas, Hydrogenimonas, Nitratifractor, Nitratiruptor, Sulfurimonas, Sulfurovum, Thiofractor, Thioreductor は世界中の深海底熱水活動域に分布しており、記載種に限れば、Sulfurimonas（沿岸の堆積物やバルト海の貧酸素水塊に由来する分離株を含む）以外は分離源が深海底熱水活動域に限られている（図1）。このうち、Caminibacter, Nautilia, Lebetimonas,
Hydrogenimonas, Nitratiruptor は中等度好熱性（最高増殖温度は Caminibacter hydrogeniphilus および C.
mediatlanticus の 70 °C）であり、熱水噴出孔近傍の高温環境に棲息する。一方低温側では、Sulfurimonas
paralvinella が 10 °C より低い温度で増殖する唯一の例であるが（最低増殖温度は 4 °C）48)、これまで集積培養から純粋分離まで一貫して低温で分離された
深海性 Epsilonproteobacteria の例はない。深海底熱水活動域に由来する環境サンプルを用いたインキュベーション実験では、4 °C でも高い炭酸固定活性が検出されており 32) 、低温下における Epsilonproteobacteria を含む化学合成独立栄養細菌の活動についてさらなる研究が必要である。深海底熱水活動域に
非病原性 Epsilonproteobacteria が優占することは、分子生物学的手法を用いた多様性解析により 1995 年頃から知られるようになり 23)、検出される真正細菌のほぼ 100 %にせまるほど優占していることもある。
一方、理由は良く分かっていないが、陸上や浅海の温泉・酸化還元境界においては、Epsilonproteobacteria
は極めてマイナーである。
深 海 底 熱 水 活 動 域 に 優 占 す る Epsilonproteobacteria は、単独で自由生活するものだけでなく、様々な大型生物の細胞内あるいは細胞外に共生するものが知られている。1977 年に深海底熱水活動域の特異な生物群が発見されて以来、それらが化学合成
独立栄養細菌と共生し栄養を得ていることは 1980
年代初めから数多く報告されてきた 7)。しかしその多くは Gammaproteobacteria を主要な共生細菌とする環形動物や二枚貝を研究対象としており、共生微生物として Epsilonproteobacteria が認識されるには、
深海底熱水活動域の発見から約 20 年近くを要した。
深海底熱水活動域に見られる細胞外共生系においては、宿主の成長とともに共生菌の種類が変化する傾向があるが 14, 16)、深海底熱水活動域に見られる細胞
外共生 Epsilonproteobacteria としては、主にゴカイの仲間に共生するもの 17, 27)、エビの仲間に共生するもの 14, 39, 50)が知られている。このうち、ゴエモンコシ
65

オリエビ（Shinkaia crosnieri）と呼ばれる甲殻類においては、宿主は顎脚を用いて胸部に付着した微生物群（図 2A）をこそぎ取り、経口摂取した後に消化し栄養とすることが明らかとなっている 54)。本共生系
以外の外部共生において、共生菌と宿主の間で物質がやり取りされる経路は未解明であるが、Rimicarisというエビの場合では、外部共生菌の作った有機物が、宿主の外皮を通過して（消化管を経ず）宿主に取り込まれることが示唆されている 40)。また沿岸の堆積物に棲息する貧毛類の体表にも、深海底熱水活動域に棲息するゴカイ類と似たような細胞外共生菌群（おそらく硫黄酸化細菌群）が見つかっており、それらは宿主の栄養やビタミン源としてだけでなく、硫化物や重金属の解毒のために用いられている可能性がある 15, 42)。いずれの細胞外共生系においても、
Sulfurovum 属に属する巨大な繊維状 Epsilonproteobacteria が優占して観察されるが、これまで似た形態の分離株は得られていない。このことから、巨大な繊維状 Epsilonproteobacteria は培養可能な近縁種と異なる特殊機能を有するか、宿主との相互作用により形態を大きく変化させる可能性がある 13)。深海
底熱水活動域に特異的に棲息する大型生物は長期飼育が極めて困難であり、共生微生物の近縁種が培養できたとしても感染実験等を実施できないのがネッ
クである。
深海底熱水活動域において、宿主の細胞内に共生する Epsilonproteobacteria の例は少なく、インド洋や南西太平洋に棲息するアルビンガイという巻貝（図2B）でのみ知られている 47, 51)。本巻貝は体全体を覆う ほ ど巨 大化 し たエ ラを 有 し、 エラ の 細胞 内に
Sulfurovum 属の共生微生物が存在する。本共生微生物の分離株は得られていないが、安定同位体解析により培養可能な近縁種と同様の生理機能を有していると考えられている 47) 。本巻貝は Gammaproteobacteria を共生させている例もあるが 51)、共生微生物の種類は基本的にフィールド毎に決まっていることから、宿主は環境に応じて Gammaproteobacteria
か Epsilonproteobacteria のいずれかを選択して共生させていると考えられており、例えば水素を多く含む 熱 水 が 噴 出 す る フ ィ ー ル ド で は Epsilonproteobacteria が選ばれる傾向にあるという 4, 43)。とはいえ、他の巻貝ではフィールドや噴出熱水の地球化学的特徴に関わらず、主要な内部共生菌は全て Gammaproteobacteria である 25)。このことから、環境に応じて Epsilonproteobacteria を共生させるのはアルビン
ガイだけに見られる例外的な現象といえる。実際、
Gammaproteobacteria を内部共生させている大型生物の棲息環境において自由生活型微生物の群集構造を調べても、Gammaproteobacteria でなく Epsilonproteobacteria が優占していることが多く 10)、細胞内共生菌の種類は、環境だけでなく宿主による制御のJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)く分かっていない 31, 55)。さらに、近年細胞内共生菌のディープシーケンシングにより、共生菌相がこれまで考えられていたより不均一であり、多くの場合
マイナーな複数の微生物群が混在していることが明らかとなってきている 3, 11, 46)。

影響が大きいと思われる。また、深海底熱水活動域の細胞内共生菌は、通常宿主の特定の器官に限定的に見られ、宿主の発生初期に環境中から獲得されたものと考えられているが、宿主の分化・成長とともに共生菌の局在がどのように制御されているかは良
(A)

(B)

図 2. Epsilonproteobacteria 綱を共生させる深海生物。
（A）ゴエモンコシオリエビ（外部共生系; 中部沖縄トラ
フ）と（B）アルビンガイ（内部共生系; インド洋中央海嶺）。
こ と がで きる 。 これ まで に 知ら れて い る全 てのSulfurospirillum は、水素ガスを電子供与体として利用するが、炭素源としては酢酸が必要であり二酸化炭素は要求しない 29)。また近年、沿岸の堆積物表層から Thiovulum 属が純粋分離され、酸素により硫化水素を酸化する能力を有する化学合成独立栄養細菌であることが明らかとなった 38)。本微生物は、スラ
イム状の分泌物に体を固定し鞭毛を振り回すことにより、対流を起こして代謝基質を獲得する能力を有している 9, 38)。
深海底熱水活動域から分離された Epsilonproteobacteria のほとんどは、水素および硫黄化合物を電子供与体とし、硝酸、酸素、硫黄化合物を電子受容体とする絶対化学合成独立栄養細菌である 29)。分離株が多く得られる以前、本系統群は硫黄化合物を電子供与体、酸素を電子受容体とすると硫黄酸化細菌であると予想されており、熱力学的にも Epsilonproteobacteria の優占する温度域では水素酸化より硫黄酸化が有利であるとされている 1)。ところが実際培養してみると、予想された代謝活性を持つ分離株も多かったが、水素を電子供与体、硝酸を電子受容体とするものの方が多いことが明らかとなった 28)。
その後、深海底熱水活動域に由来する様々な環境サ
ンプルを用いた活性測定において、サンプルの由来に関わらず低温下で水素酸化細菌の活性が予想より高いことが明らかとなっている 36)。加えて、深海底
熱水活動域に見られる様々な細胞内共生菌も水素をエネルギー源とすることが示唆され 25, 37)、深海底熱水活動域に優占する化学合成独立栄養細菌において

3. 非病原性 Epsilonproteobacteria の生理学的特徴
Proteobacteria 門の中で、Epsilonproteobacteria はDelta-および Zeta-Proteobacteria とともに、光合成細菌を含まない系統群である。Epsilonproteobacteria が棲息する環境は定常的に暗黒であることが多いが、培養に際しては必ずしも暗黒条件で行う必要はない
ようである。病原性 Epsilonproteobacteria は、通性好気性の従属栄養細菌で、アミノ酸や TCA 回路の中間体を炭素源およびエネルギー源として利用する（炭水化物は利用しない）。一方、非病原性 Epsilonproteobacteria の生理学的性状は多様であるが、その多くは硫黄化合物をエネルギー源もしくは電子受容体として利用する能力を有している 26) 。また病原性
Epsilonproteobacteria と 同 様 、 多 く の 非 病 原 性Epsilonproteobacteria は大気レベルの酸素濃度では増殖しない「微好気性」を示すものが多い。ただし
病原性 Epsilonproteobacteria においては、気相の二酸
化炭素濃度さえ高ければ（5-10 %）、大気レベルの酸素濃度下でも増殖することが知られている 34)。この場合の二酸化炭素の役割は明らかとなっておらず、さらに非病原性 Epsilonproteobacteria にも共通する
特徴かどうかも調べられていない。
非病原性 Epsilonproteobacteria のうち、Sulfurospirillum 属は硫黄化合物の還元能を有する常温性の従属栄養細菌である。本属の微生物は多様な代謝能を有し、フマル酸、リンゴ酸、乳酸、ピルビン酸を
微好気条件下で利用するものが多い。嫌気条件下では、元素状硫黄、硝酸、チオ硫酸、ヒ酸を還元する能力を有するとともに、フマル酸発酵でも増殖する

66

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Helicobacter 属で 950 株を超えるが）、本系統群におけるゲノムレベルの特徴が明らかとなってきている（図 1）。これまでに解析された非病原性 Epsilonproteobacteria のゲノムサイズは 2 Mb 程度のものが多く、特に中等度好熱性のものは病原性 Epsilonproteobacteria（1.5-1.8 Mb 程度）に匹敵するほど小さい。小さなゲノムながらもコード領域の占める割合が高く、遺伝子のロスが獲得を上回るペースで進化してきたと考えられる 29)。ゲノム進化の原動力としては、多くの DNA 修復遺伝子が欠けていることに起因する高い突然変異率が挙げられる 22, 24, 30)。このゲノムの柔軟性は、変動の激しい環境に Epsilonproteobacteria が適応するうえで、有利に働くのではないかと考えられる（言い換えると安定した環境では不利）30)。また、深海底熱水活動域に優占する非病原性 Epsilonproteobacteria は、物理化学的変動の激しい棲息環境を反映し、多様な代謝経路やセンシン
グ・応答機構、重金属解毒システムをコードする遺伝子群を有している 30)。加えて、それらは病原性近縁種と同様のクオラムセンシング機構を有することも明らかとなっている 35)。Nitratiruptor SB155-2 株は鞭毛遺伝子や走化性遺伝子群を、ほぼ同所的に棲息する Aquificales 目から水平伝播により獲得したと考えられる 30)。また本微生物には新規なゲノム構造を有する溶原性ファージが見つかっている 58)。深海底
熱水活動域に棲息する細胞内あるいは細胞外共生の
Epsilonproteobacteria において、完全長のゲノム配列が解読された例はないが、深海底熱水活動域に固有のゴカイ Alvinella やエビ Rimicaris において細胞外共生菌のメタゲノム解析や 19)、巻貝アルビンガイにおける細胞内共生菌のメタトランスクリプトーム解析は行われており 21, 43)、次世代シーケンサーの普及により今後も同様の報告が続くと期待される。

水素が重要なエネルギー源であることは一般的であると考えられる。しかしながら、水素と硫黄化合物と い っ た 複 数 の 基 質 が 混 在 す る 場 合 、 Epsilonproteobacteria がそれらをどのように利用するかはよく分かっていない。また、上述した Shinkaia において細胞外共生菌が水素の利用能を欠く可能性も示
唆されている 53)。さらに、深海底熱水活動域に優占する Epsilonproteobacteria の多くは、硝酸をアンモニ
アでなく窒素ガスまで還元するため、現場生態系における窒素循環に重要な役割を担っていると考えられている 5, 52)。
化学合成独立栄養性 Epsilonproteobacteria の炭酸固定経路は、鍵酵素の酵素活性を指標とした研究により還元型 TCA 回路であると考えられており 56)、
実際に全ゲノム解析において本回路に必要な全ての遺伝子セットが見つかっている 30)。同所的に棲息す
る Epsilonproteobacteria 以外の常温性硫黄酸化細菌
は、一般にカルビン回路により炭酸固定を行う場合が多く、還元型 TCA 回路による炭酸固定は Epsilonproteobacteria の特徴といえる 26)。ただ、陸域に棲息する Epsilonproteobacteria の炭酸固定経路は良く分かっておらず、硫化水素に富む洞窟に優占する繊維状 Epsilonproteobacteria は、安定同位体解析により還元型 TCA 回路でなくカルビン回路を用いていると考えられている 8)。また、深海底熱水活動域に棲息
す る 環 形 動 物 に 細 胞 内 共 生 す る Gammaproteobacteria は、カルビン回路と還元型 TCA 回路の両方を有していることが明らかとなっている 21, 49)。
化学合成独立栄養性 Epsilonproteobacteria の硫黄酸化経路については、生化学的な研究例が極めて少ないのが現状である 57)。近年のメタゲノム解析において、Zetaproteobacteria も硫黄酸化能を持つ可能性が示唆されたことにより 45)、Proteobacteria 門の全ての綱が硫黄酸化細菌を含むと考えられる。一般に深海底熱水活動域に見られる硫黄酸化経路は、Sox 非依存型（Gammaproteobacteria）、Sox 依存型（Epsilonproteobacteria）、アーキア型に大別される 26)。このよ
うな経路の違いは各微生物の生存戦略の違い、共生菌としてみた場合の利用価値の違いに直結していると考えられ、系統群ごとにどのような違いがあるか、包括的な研究が待たれる。また近年深海底熱水活動域において、Gammaproteobacteria の硫黄酸化経路をコードする遺伝子がファージによって運ばれていることが示唆されているが 2)、そのような機能遺伝子
が綱レベルのバウンダリーを超えて、例えば
Epsilonproteobacteria のゲノムに水平伝播したと考えられるような例は知られていない。

5. 今後の展望
非病原性 Epsilonproteobacteria の研究は、この 10年ほどで急速な発展を遂げ、ピロリ菌など重要な病
原性微生物との進化的リンクを多角的に探求するための素地が整ってきた。生態学的役割、特に深海底
熱水活動域における一次生産者としての役割は極めて重要であると考えられるが、Epsilonproteobacteria
を本質的に特徴づけられるほどの特殊な分子機構は依然として突き止められていない。そもそも Epsilonproteobacteria にとって、宿主に食べられたり有機物を差出したりすることにどれだけのメリットがあるのか。またそこに他の共生系にも通底する原理はあるのだろうか。それらを解明するため、筆者らはマイクロコズムのような人工的な生態系を構築し、その成り立ちを化学量論的・数理的に理解しシミュレ
ート・応用を図る研究を展開していく予定である。
また Epsilonproteobacteria の本質的特性を解明する

4. Epsilonproteobacteria のゲノム進化
現在 1100 株を超える Epsilonproteobacteria のゲノ
ム 解 析 が 進 ん で お り （ Campylobacter 属 と67

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)10) Forget, N. and Kim Juniper, S. 2013. Free-living
bacterial communities associated with tubeworm(Ridgeia piscesae) aggregations in contrasting diffuse
flow hydrothermal vent habitats at the Main Endeavour
Field, Juan de Fuca Ridge. Microbiologyopen 2:
259-275.
11) Forget, N., Perez, M., and Juniper, K. 2014.
Molecular study of bacterial diversity within thetrophosome of the vestimentiferan tubeworm Ridgeia
piscesae. Mar Ecol in press.
12)Gevertz, D., Telang, A., Voordouw, G., and Jenneman,G. 2000. Isolation and characterization of strains CVO
and FWKO B, two novel nitrate-reducing,sulfide-oxidizing bacteria isolated from oil field brine.
Appl Environ Microbiol 66: 2491-2501.
13) Goffredi, S., Gregory, A., Jones, W., Morella, N., andSakamoto, R. 2013. Ontogenetic variation in epibiont
community structure in the deep-sea yeti crab, Kiwa
puravida: convergence among crustaceans. Mol Ecol
23: 1457-1472.
14) Goffredi, S., Jones, W., Erhlich, H., Springer, A., andVrijenhoek, R. 2008. Epibiotic bacteria associated withthe recently discovered Yeti crab, Kiwa hirsuta.
Environ Microbiol 10: 2623-2634.
15) Grzymski, J., Murray, A., Campbell, B., Kaplarevic,
M., Gao, G., Lee, C., Daniel, R., Ghadiri, A., Feldman,
R., and Cary, S. 2008. Metagenome analysis of an
extreme microbial symbiosis reveals eurythermal
adaptation and metabolic flexibility. Proc Natl Acad Sci
U S A 105: 17516-17521.
16) Guri, M., Durand, L., Cueff-Gauchard, V., Zbinden,
M., Crassous, P., Shillito, B., and Cambon-Bonavita, M.
2012. Acquisition of epibiotic bacteria along the life
cycle of the hydrothermal shrimp Rimicaris exoculata.
ISME J 6: 597-609.
17) Haddad, A., Camacho, F., Durand, P., and Cary, S.
1995. Phylogenetic characterization of the epibiotic
bacteria associated with the hydrothermal ventpolychaete Alvinella pompejana. Appl Environ
Microbiol 61: 1679-1687.
18) Hubert, C., Oldenburg, T., Fustic, M., Gray, N.,
Larter, S., Penn, K., Rowan, A., Seshadri, R., Sherry, A.,
Swainsbury, R., Voordouw, G., Voordouw, J., and Head,
I. 2011. Massive dominance of Epsilonproteo- bacteria
in formation waters from a Canadian oil sands
reservoir containing severely biodegraded oil. Environ
Microbiol 14: 387-404.
19) Jan, C., Petersen, J., Werner, J., Teeling, H., Huang,S., Glöckner, F., Golyshina, O., Dubilier, N., Golyshin,P., Jebbar, M., and Cambon-Bonavita, M. 2014. The
gill chamber epibiosis of deep-sea shrimp Rimicarisには、Epsilonproteobacteria を含む系統的な近縁種および生理的な類似種をより包括的に解析するのはもちろんであるが、それらの棲息環境に見られる微生物群において系統マーカーでなくゲノムあるいは遺伝子のフローに基づくユニットを見いだし、それらの織りなす相互作用・生態系を機械論的に理解することを目指すリバースエコロジー44)のような考え方を導入していくべきであると考えている。
参考文献
1) Amend, J. and Shock, E. 2001. Energetics of overall
metabolic reactions of thermophilic and hyperthermophilic Archaea and bacteria. FEMS Microbiol
Rev 25: 175-243.
2) Anantharaman, K., Duhaime, M., Breier, J., Wendt,
K., Toner, B., and Dick, G. 2014. Sulfur oxidation
genes in diverse deep-sea viruses. Science 344:757-760.
3) Beinart, R., Nyholm, S., Dubilier, N., and Girguis, P.
2014. Intracellular Oceanospirillales inhabit the gills of
the hydrothermal vent snail Alviniconcha withchemosynthetic, γ-Proteobacterial symbionts. Environ
Microbiol Rep 6: 656-664.
4) Beinart, R., Sanders, J., Faure, B., Sylva, S., Lee, R.,
Becker, E., Gartman, A., Luther III, G., Seewald, J.,
Fisher, C., and Girguis, P. 2012. Evidence for the roleof endosymbionts in regional-scale habitat partitioningby hydrothermal vent symbioses. Proc Natl Acad Sci U
S A 109: E3241-E3250.
5) Bourbonnais, A., Lehmann, M., Butterfield, D., andJuniper, S. 2012. Subseafloor nitrogen transformations
in diffuse hydrothermal vent fluids of the Juan de Fuca
Ridge evidenced by the isotopic composition of nitrate
and ammonium. Geochem Geophys Geosyst 13:003863.
6) Campbell, B. and Cary, S. 2001. Characterization of anovel spirochete associated with the hydrothermal ventpolychaete annelid, Alvinella pompejana. Appl Environ
Microbiol 67: 110-117.
7) Dubilier, N., Bergin, C., and Lott, C. 2008. Symbiotic
diversity in marine animals: the art of harnessing
chemosynthesis. Nat Rev Microbiol 6: 725-740.
8) Engel, A., Porter, M., Stern, L., Quinlan, S., andBennett, P. 2004. Bacterial diversity and ecosystem
function of filamentous microbial mats from aphotic(cave) sulfidic springs dominated by chemolithoautotrophic "Epsilonproteobacteria". FEMS Microbiol Ecol
51: 31-53.
9) Fenchel, T. and Glud, R. 1998. Veil architecture in asulphide-oxidizing bacterium enhances contercurrent
flux. Nature 394: 367-369.
68

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)30) Nakagawa, S., Takaki, Y., Shimamura, S.,
Reysenbach, A., Takai, K., and Horikoshi, K. 2007.
Deep-sea vent epsilon-proteobacterial genomes provide
insights into emergence of pathogens. Proc Natl Acad
Sci U S A 104: 12146-12150.
31) Nussbaumer, A., Fisher, C., and Bright, M. 2006.
Horizontal endosymbiont transmission in hydrothermalvent tubeworms. Nature 441: 345-348.
32) Olins, H., Rogers, D., Frank, K., Vidoudez, C., andGirguis, P. 2013. Assessing the influence of physical,
geochemical and biological factors on anaerobic
microbial primary productivity within hydrothermalvent chimneys. Geobiology 11: 279-293.
33) On, S. 2001. Taxonomy of Campylobacter,
Arcobacter, Helicobacter and related bacteria: current
status, future prospects and immediate concerns. Symp
Ser Soc Appl Microbiol 90: 1S-15S.
34) Park, S. and Lee, N. 2013. Global regulation of gene
expression in the human gastric pathogen Helicobacter
pylori in response to aerobic oxygen tension under ahigh carbon dioxide level. J Microbiol Biotechnol 23:
451-458.
35) Pérez-Rodríguez, I., Bolognini, M., Ricci, J., Bini, E.,
and Vetriani, C. 2014. From deep-sea volcanoes tohuman pathogens: a conserved quorum-sensing signal
in Epsilonproteobacteria. ISME J in press.
36) Perner, M., Hansen, M., Seifert, R., Strauss, H.,
Koschinsky, A., and Petersen, S. 2013. Linking geology,
fluid chemistry, and microbial activity of basalt- andultramafic-hosted deep-sea hydrothermal ventenvironments. Geobiology 11: 340-355.
37)Petersen, J., Zielinski, F., Pape, T., Seifert, R., Moraru,C., Amann, R., Hourdez, S., Girguis, P., Wankel, S.,
Barbe, V., Pelletier, E., Fink, D., Borowski, C., Bach,W., and Dubilier, N. 2011. Hydrogen is an energy
source for hydrothermal vent symbioses. Nature 476:
176-180.
38) Petroff, A. and Libchaber, A. 2014. Hydrodynamics
and collective behavior of the tethered bacterium
Thiovulum majus. Proc Natl Acad Sci U S A 111:
E537-545.
39) Polz, M. and Cavanaugh, C. 1995. Dominance of one
bacterial phylotype at a Mid-Atlantic Ridgehydrothermal vent site. Proc Natl Acad Sci U S A 92:
7232-7236.
40) Ponsard, J., Cambon-Bonavita, M., Zbinden, M.,
Lepoint, G., Joassin, A., Corbari, L., Shillito, B.,
Durand, L., Cueff-Gauchard, V., and Compère, P. 2013.
Inorganic carbon fixation by chemosynthetic
ectosymbionts and nutritional transfers to thehydrothermal vent host-shrimp Rimicaris exoculata.

exoculata: an in-depth metagenomic investigation anddiscovery of Zetaproteobacteria. Environ Microbiol
16: 2723-2738.
20) Kodama, Y. and Watanabe, K. 2004. Sulfuricurvum
kujiense gen. nov., sp. nov., a facultatively anaerobic,
chemolithoautotrophic, sulfur-oxidizing bacterium
isolated from an underground crude-oil storage cavity.
Int J Syst Evol Microbiol 54: 2297-2300.
21) Markert, S., Arndt, C., Felbeck, H., Becher, D.,
Sievert, S., Hügler, M., Albrecht, D., Robidart, J.,
Bench, S., Feldman, R., Hecker, M., and Schweder, T.
2007. Physiological proteomics of the uncultured
endosymbiont of Riftia pachyptila. Science 315:247-250.
22) Meyer, J. and Huber, J. 2014. Strain-level genomic
variation in natural populations of Lebetimonas froman erupting deep-sea volcano. ISME J 8: 867-880.
23) Moyer, C., Dobbs, F., and Karl, D. 1995.
Phylogenetic diversity of the bacterial community froma microbial mat at an active, hydrothermal vent system,
Loihi Seamount, Hawaii. Appl Environ Microbiol 61:1555-1562.
24) Nakagawa, S. 2011. Genetic analysis and presservation of chemolithoautotrophic bacteria dominating
deep-sea vents. IFO Res Commun 25: 31-39.
25) Nakagawa, S., Shimamura, S., Takaki, Y., Suzuki, Y.,
Murakami, S., Watanabe, T., Fujiyoshi, S., Mino, S.,
Sawabe, T., Maeda, T., Makita, H., Nemoto, S.,
Nishimura, S., Watanabe, H., Watsuji, T., and Takai, K.
2014. Allying with armored snails: the complete
genome of gammaproteobacterial endosymbiont. ISMEJ 8: 40-51.
26) Nakagawa, S. and Takai, K. 2008. Deep-sea ventchemoautotrophs: diversity, biochemistry and ecological significance. FEMS Microbiol Ecol 65: 1-14.
27) Nakagawa, S., Takai, K., Inagaki, F., Chiba, H.,
Ishibashi, J., Kataoka, S., Hirayama, H., Nunoura, T.,
Horikoshi, K., and Sako, Y. 2005. Variability inmicrobial community and venting chemistry in asediment-hosted backarc hydrothermal system: Impactsof subseafloor phase-separation. FEMS Microbiol Ecol
54: 141-155.
28) Nakagawa, S., Takai, K., Inagaki, F., Hirayama, H.,
Nunoura, T., Horikoshi, K., and Sako, Y. 2005.
Distribution, phylogenetic diversity and physiologicalcharacteristics of epsilon-Proteobacteria in a deep-sea
hydrothermal field. Environ Microbiol 7: 1619-1632.
29) Nakagawa, S. and Takaki, Y. 2009. Nonpathogenic
Epsilonproteobacteria. In: Encyclopedia of Life
Sciences (ELS). John Wiley & Sons, Ltd: Chichester.
DOI: 10.1002/9780470015902.a0021895.
69

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)C., and Imhoff, J. 2012. Widespread occurrence of two
carbon fixation pathways in tubeworm endosymbionts:
lessons from hydrothermal vent associated tubeworms
from the mediterranean sea. Front Microbiol 3: 423.
doi: 10.3389/fmicb.2012.00423
50) Tokuda, G., Yamada, A., Nakano, K., Arita, N., andYamasaki, H. 2008. Colonization of Sulfurovum sp. on
the gill surfaces of Alvinocaris longirostris, a deep-sea
hydrothermal vent shrimp. Mar Ecol 29: 106-114.
51)Urakawa, H., Dubilier, N., Fujiwara, Y., Cunningham,
D., Kojima, S., and Stahl, D. 2005. Hydrothermal ventgastropods from the same family (Provannidae)
harbour - and -proteobacterial endosymbionts.
Environ Microbiol 7: 750-754.
52) Vetriani, C., Voordeckers, J., Crespo-Medina, M.,
O'Brien, C., Giovannelli, D., and Lutz, R. 2014.
Deep-sea hydrothermal vent Epsilonproteobacteria
encode a conserved and widespread nitrate reduction
pathway (Nap). ISME J 8: 1510-1521.
53) Watsuji, T., Nakagawa, S., Tsuchida, S., Toki, T.,
Hirota, A., Tsunogai, U., and Takai, K. 2010. Diversity
and function of epibiotic microbial communities on thegalatheid crab, Shinkaia crosnieri. Microbes Environ
25: 288-294.
54) Watsuji, T., Yamamoto, A., Motoki, K., Ueda, K.,
Hada, E., Takaki, Y., Kawagucci, S., and Takai, K.
2014. Molecular evidence of digestion and absorptionof epibiotic bacterial community by deep-sea crab
Shinkaia crosnieri. ISME J in press.
55) Wentrup, C., Wendeberg, A., Huang, J., Borowski, C.,
and Dubilier, N. 2013. Shift from widespread symbiont
infection of host tissues to specific colonization of gills
in juvenile deep-sea mussels. ISME J 7: 1244-1247.
56) Wirsen, C., Sievert, S., Cavanaugh, C., Molyneaux,S., Ahmad, A., Taylor, L., DeLong, E., and Taylor, C.
2002. Characterization of an autotrophic sulfideoxidizing marine Arcobacter sp. that produces
filamenttous sulfur. Appl Environ Microbiol 68:
316-325.
57) Yamamoto, M., Nakagawa, S., Shimamura, S., Takai,K., and Horikoshi, K. 2010. Molecular characterizationof inorganic sulfur-compound metabolism in the
deep-sea epsilonproteobacterium Sulfurovum sp.
NBC37-1. Environ Microbiol 12: 1144-1153.
58) Yoshida-Takashima, Y., Takaki, Y., Shimamura, S.,
Nunoura, T., and Takai, K. 2013. Genome sequence ofa novel deep-sea vent epsilonproteobacterial phage
provides new insight into the co-evolution of
Epsilonproteobacteria and their phages. Extremophiles
17: 405-419.

ISME J 7: 96-109.
41) Rinke, C., Schwientek, P., Sczyrba, A., Ivanova, N.,
Anderson, I., Cheng, J., Darling, A., Malfatti, S., Swan,
B., Gies, E., Dodsworth, J., Hedlund, B., Tsiamis, G.,
Sievert, S., Liu, W., Eisen, J., Hallam, S., Kyrpides, N.,
Stepanauskas, R., Rubin, E., Hugenholtz, P., andWoyke, T. 2013. Insights into the phylogeny andcoding potential of microbial dark matter. Nature 499:
431-437.
42) Ruehland, C. and Dubilier, N. 2010. Gamma- andepsilonproteobacterial ectosymbionts of ashallow-water marine worm are related to deep-sea
hydrothermal vent ectosymbionts. Environ Microbiol
12: 2312-2326.
43) Sanders, J., Beinart, R., Stewart, F., Delong, E., andGirguis, P. 2013. Metatranscriptomics reveal
differences in in situ energy and nitrogen metabolism
among hydrothermal vent snail symbionts. ISME J 7:
1556-1567.
44) Shapiro, B. and Polz, M. 2014. Ordering microbial
diversity into ecologically and genetically cohesive
units. Trends Microbiol 22: 235-247.
45) Singer, E., Heidelberg, J., Dhillon, A., and Edwards,
K. 2013. Metagenomic insights into the dominant
Fe(II) oxidizing Zetaproteobacteria from an iron mat at
Lō´ihi, Hawai´l. Front Microbiol 4: 52.
46) Stewart, F. and Cavanaugh, C. 2009. Pyrosequencing
analysis of endosymbiont population structure:co-occurrence of divergent symbiont lineages in asingle vesicomyid host clam. Environ Microbiol 11:2136-2147.
47) Suzuki, Y., Sasaki, T., Suzuki, M., Nogi, Y., Miwa, T.,
Takai, K., Nealson, K., and Horikoshi, K. 2005. Novelchemoautotrophic endosymbiosis between a member ofthe Epsilonproteobacteria and the hydrothermal-ventgastropod Alviniconcha aff. hessleri (Gastropoda:
Provannidae) from the Indian Ocean. Appl Environ
Microbiol 71: 5440-5450.
48) Takai, K., Suzuki, M., Nakagawa, S., Miyazaki, M.,
Suzuki, Y., Inagaki, F., and Horikoshi, K. 2006.
Sulfurimonas paralvinellae sp. nov., a novel mesophilic,hydrogen- and sulfur-oxidizing chemolithoautotrophwithin the Epsilonproteobacteria isolated from a
deep-sea hydrothermal vent polychaete nest,
reclassification of Thiomicrospira denitrificans as
Sulfurimonas denitrificans comb. nov. and emended
description of the genus Sulfurimonas. Int J Syst Evol
Microbiol 56: 1725-1733.
49) Thiel, V., Hügler, M., Blümel, M., Baumann, H.,
Gärtner, A., Schmaljohann, R., Strauss, H.,
Garbe-Schönberg, D., Petersen, S., Cowart, D., Fisher,70

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)MINI REVIEWJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13, 71-75

Sasaki T

Origin and Early Evolution of the Earth
地球の形成と初期進化：生命誕生の場ができるまで
京都大学 大学院理学研究科 宇宙物理学教室
佐々木 貴教Department of Astronomy, Kyoto University, Kitashirakawa-Oiwake-cho, Sakyo-ku, Kyoto 606-8502, JAPAN.
Corresponding author: Takanori Sasaki, takanori@kusastro.kyoto-u.ac.jp
Phone: +81-75-753-3892
Received: Dec. 1, 2014 / Accepted: Dec. 22, 2014
Abstract The study of the origin and evolution of life
cannot be separated from the study of the origin andevolution of the Earth. In this paper, I focused on thelatter studies to understand how our planet was formed
and how its early environment was evolved. First, I
reviewed the over-all formation and evolution of thesolar system based on “Kyoto model.”Then, I
proposed a new scenario of the early evolution ofterrestrial planets especially for the Earth’s earlyenvironment. Through these scenarios, I discussed how
to make a habitable planet and what mechanisms are
essential to make a planet habitable. The university anddiversity of the evolution of life in the Universe is one of
the key questions to understand the origin and evolutionof life on our Earth. However, these questions arehighly complicated and cannot be solved throughastronomy alone.
I believe that multidisciplinary
integration of planetary science, geology, and biology isimperative to promote the new science-field,
Astrobiology.

誕生と進化についての定説、および最新の知見を可能な限りシンプルに定性的に論じるつもりである。
各物理過程に関する詳細な説明、および定量的な議論については、巻末に上げた参考文献を参照されたい。
2. 太陽系形成論：標準シナリオ「京都モデル」7)
現在の太陽系形成の標準シナリオは、1980 年代に
京都大学の林忠四郎らのグループによって提案されたものを基盤とし、「京都モデル」あるいは「林モデル」と呼ばれている 7)。モデルの提唱から約 30 年が経ち、今日では修正を受けた点もあるが、理論の枠組みは概ね正しいとされ、現在でも惑星形成論の標
準シナリオと捉えられている。本節では、図 1 に示した原始惑星系円盤からの太陽系形成の概念図をもとに、本シナリオの概要を述べる。
原始惑星系円盤
宇宙空間において、水素の密度が高い領域を分子雲と呼び、分子雲の中でもより高密度の部分を分子雲コアと呼ぶ。この分子雲コアが自己重力により収縮することで恒星が誕生する。分子雲コアは初期状
態で少なからず角運動量を持っているため、重力による自己収縮が進む際に角運動量保存則に従い回転
角速度が増加する。回転軸方向のガスが中心まで落下していく一方、回転軸に垂直な方向のガスは遠心力により中心まで落下できなくなり、その結果、中心星の周りに円盤が形成されることになる。この円盤のことを「原始惑星系円盤」、あるいは太陽系に限定した場合には「原始太陽系円盤」と呼ぶ。この円盤中で、現在の惑星系が形成されたと考えられていKey words: 太陽系形成論、巨大天体衝突、初期地球、
ハビタブルプラネット、系外地球型惑星 (planet
formation theory, giant impacts, early Earth, habitable
planets, extrasolar terrestrial planets)
はじめに
本論文では、生命誕生の場としての地球ができるまでの過程を、太陽系形成・初期地球環境形成に関するいくつかのシナリオをもとに概説する。惑星科
学を専門とする筆者の立場から、生命を宿す惑星の1.

2

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)ることで暴走的に成長することがわかっている。これを微惑星の「暴走成長」と呼び、その結果形成される天体のことを「原始惑星」と呼ぶ 10)。自らの重力圏内に含まれる微惑星を全て集積した時点で暴走
成長はストップするため、原始惑星の質量は軌道長半径によって決まり、地球型惑星領域ではおよそ火星サイズ程度に達する。互いの重力圏程度の間隔で、独立に微惑星の暴走成長が起きるため、最終的にその間隔で似たサイズの原始惑星が多数並びながら成
長していくことになる。これを原始惑星の「寡占成長」と呼ぶ 11)。地球惑星形成領域では、およそ 20
個の原始惑星が形成されたと考えられている。

る。
原始太陽系円盤はガスと固体粒子（ダスト）から成る。現在の太陽系の状態を再現するような密度分
布等が仮定されており、「太陽系復元円盤」と呼ばれる 6)。円盤の元素組成は太陽系の元素存在度とほぼ等しく、約 99%の H および He と約 1%の重元素（O,C, Si, Fe, N, Mg 等）から構成され、円盤の総質量はおよそ 0.01 太陽質量であると推定されている。
一方、円盤の温度は、ダストについてのエネルギー収支を解くことで推定される。低圧の円盤中での H2O の凝固点は約 170K であり、その温度となる軌道位置を「雪線（スノーライン）」と呼ぶ。現在の太陽系では雪線はおよそ 2.7AU 程度と見積もられており、雪線の外側ではダストの質量面密度が氷の分だけ大きくなるため、よりおおきな惑星を形成することが可能となる。

地球型惑星（岩石惑星）
寡占成長により適当な間隔で並んで成長してきた原始惑星は、円盤ガスの減少に伴い、次第に重力相互作用によって互いの軌道を乱し、衝突を起こし始める。地球型惑星形成の最終段階は、「巨大天体衝突」
ステージと呼ばれ、原始惑星が互いに衝突合体を繰り返すことで現在の岩石惑星が形成される 12)。したがって、特に地球と金星は現在の姿になる直前に複数回の巨大天体衝突を経験したことが予想されている。
巨大天体衝突は非常に大規模な衝突イベントであるため、形成直後の地球型惑星は表面の岩石が溶融した「マグマオーシャン」状態を経験することにな
る。またそれまでに獲得していた海の一部も宇宙空間に散逸する。ただし、巨大天体衝突ステージを通して表面の海や大気を全て失うことはないと考えられており、巨大天体衝突以前に獲得していた大気は、後に地球型惑星の原始大気の一部となることが予想される 4)。ちなみにこの巨大天体衝突によって地球の周りにばらまかれたマントル物質が集積すること
で、地球の月が形成されたと考えられている 5)。

微惑星
原始惑星系円盤中での乱流が収まると、円盤中のダスト成分は太陽重力の鉛直方向成分により、円盤の赤道面に沈降し始める。初期に 1μm オーダーであったダストは、沈降時に互いに衝突合体を繰り返し成長していく。ダストの赤道面への沈降が進むと、赤道面のダスト密度が上昇し、ダスト層が形成される 17)。ダスト層が臨界密度を超えると、自己重力によって収縮し、一気に km オーダーのダスト塊へと成長すると考えられる 19)。このようなダスト塊のことを「微惑星」と呼ぶ。雪線の内側では岩石微惑星
が、外側では岩石微惑星に加えて氷微惑星が形成される。
ところで、原始惑星系円盤内でダストは太陽の周りをケプラー運動するが、ガスは自身の圧力傾度力
により、ケプラー速度よりもやや遅い速度で公転する。ダストサイズが十分に小さいときは、ダストはガスに引きずられ同じ速度で公転するが、ダストサ
イズが m オーダーになると、ガス抵抗によりダストの角運動量が減少し、ダストは速やかに中心星へと落ち込んでしまう 1)。これを「ダスト落下問題」と呼ぶ。ダストサイズが km オーダーにまで成長すると、ダストはガスとは独立に運動できるようになる
ため、中心星への落下は回避される。そのため、微惑星形成過程においては、ガス抵抗を受けやすい m
サイズを飛び越し、一気に km サイズの微惑星を形成させる必要がある。

木星型惑星（巨大ガス惑星）と天王星型惑星（巨大氷惑星）
雪線より外側の領域では、氷が凝縮することにより微惑星の材料物質が増えること、および中心星から遠ざかるため相対的に重力圏が広がることから、より大きな原始惑星が形成される。これらの原始惑星は、ガス惑星および氷惑星のコアとなる。原始惑星はその重力によって原始惑星系円盤ガスを引きつけ原始大気を形成するが、コアの質量がある臨界質量を超えると、原始大気が静水圧平衡を保てなくなり、円盤ガスが暴走的に流入することになる。その結果、大量にガスをまとった巨大ガス惑星が形成される 15)。
ところで、原始惑星の成長のタイムスケールは、
原始惑星系円盤周りのケプラー回転のタイムスケー
ルで律速されている。つまり、軌道長半径が大きい

原始惑星
微惑星は互いの重力相互作用により散乱され、軌道離心率・軌道傾斜角が変化し、軌道交差が生じることで互いに衝突合体を起こし成長していく。この際、全ての微惑星が均等に成長するのではなく、微惑星の中で大きいものがさらに周りの微惑星を集め
72

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)ほど、成長のタイムスケールは長くなる。天王星形
成領域以遠では、原始惑星の形成タイムスケールが、原始惑星系円盤ガスの散逸タイムスケールよりも大きくなるため、形成された原始惑星は十分な量のガスを捕獲することができず、薄いガスをまとった巨大氷惑星が形成されたと考えられている。

73

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)ハビタブルプラネット
地球の生き物は繁殖を含む生活環のどこかで液体の水を必要とする。そのため「惑星表層に液体の水が存在できる」ことを、惑星が「ハビタブル（生命居住可能）」であるための条件とすることが一般的であり、これまでも惑星形成過程における液体の水の獲得・保持についての研究が数多く行われてきた
8,13,16)。
ところで、液体の水の存在をハビタブルであるための条件とすることに、なんらかの必然性・普遍性はあるのだろうか？水は宇宙に存在する元素の中で、反応性の無いヘリウムを除けば最も存在量の多い水
素と酸素の組み合わせで作られる。そのため、宇宙全体で考えても非常に普遍性のある物質であることがわかる。また、分子量の比較的小さなシンプルな分子の中で、水は圧倒的に高い沸点・融点をもっており、化学反応の溶媒として最適である。よって、惑星表面に存在する可能性のある液体の中で、水は最も大量に存在でき、かつ最も生命活動の媒体として使いやすい物質であるといえる。液体の水に注目して「ハビタブルプラネット」を探すことに、ある種の必然性・普遍性はある、と考えてよいのである。
さて、ハビタブルプラネットの存在条件について考えよう。惑星が中心星に近すぎると、表面の水は全て蒸発してしまう。一方で、中心星から遠すぎると、表面の水は全て凍りついてしまう。惑星表面に液体の水が存在できる、中心星からの距離の範囲を「ハビタブルゾーン」と呼ぶ 9)。中心星の質量や年齢によって放射フラックスの量が異なるため、中心星の種類によってハビタブルゾーンの位置も大きく変わってくる。太陽系では 1AU 付近がハビタブルゾーンとなり、その領域には地球のみが含まれていることから、太陽系のハビタブルプラネットは地球だ
けであることがわかる。
ハビタブルゾーンに関する研究は数多くあり、これまで、生命を宿す惑星を探すことは、ハビタブル
ゾーン内に位置する惑星を探すこととほぼ同義であった。ところが近年、単に液体の水が惑星表層に存在するだけではハビタブルとはいえず、その「量」こそが重要である、という指摘がなされ始めている
3)。すなわち、「水にあふれた惑星」ではなく「わずか 0.023wt% の水を持つ惑星」であることが、地球をハビタブルな環境にしている、という指摘である。
わずかな水の存在により、大陸・海洋・大気の三要
素が惑星表層に同時に存在でき、それらが循環的に相互作用することで、生命誕生場となる極めて多様で動的な環境「Habitable Trinity」が作られる。このことがハビタブルプラネットを作る上での重要な条件だと考えるのである。

3.

2

4.

地球の初期進化に関する新しいシナリオの提案
20)

地球における生命の発生・進化を考えるうえで、初期地球の表層環境の形成・進化の過程を明らかにすることは極めて重要である。ここでは、地球形成の最終段階である巨大天体衝突ステージが、
Habitable Trinity を含む地球の特異性の解明の鍵を握っている可能性があることを示し、地球の初期進化に関する新しいシナリオの提案を行いたい 20)。
巨大天体衝突ステージにおいて、衝突合体による地球型惑星の成長が進む一方、かなりの量（系の質
量の 1 割以上）の衝突破片が惑星軌道上にばら撒かれることが、詳細な衝突シミュレーションによってわかってきた。これらの衝突破片中には、原始惑星のコアに由来する金属鉄も相当量含まれている。衝突破片は後に地球に時間をかけて再集積し、力学的・化学的両面で初期地球進化に大きな影響を与えることが予想される。
まず、衝突破片の再集積は、原始惑星同士の合体
によって形成された地球型惑星の軌道に影響を与える可能性がある。特に、巨大天体衝突ステージを通して 0.1 程度まで上昇した惑星の離心率を、力学的にダンプすることで、現在の 0.01 程度にまで下げることが可能である。つまり、自律的に円軌道の地球型惑星を形成することが可能となる。一方、衝突破片の再集積は、化学的な面で地球の組成に影響を与える可能性がある。特に、衝突破片中の金属鉄が再集積することで、金属鉄中に含まれる強親鉄性元素が地球マントルに供給されたはずである。これは、現在の地球マントル中で観測されている強親鉄性元素の過剰を説明する「レイトベニア」仮説 2)において、その供給源が自律的に与えられることを示唆している。
さらに衝突破片の再集積は、初期地球の表層環境にも大きな影響を与える。特に衝突破片中に含まれる金属鉄は強力な還元剤として働き、原始海洋との反応により大量の水素を発生させ、地球表層の酸化還元状態を大幅に還元的にする可能性がある。これ
により、一般的に生命の発生・進化に有利であると考えられている還元的な環境を、地球が初期に長期間（10~20 億年程度）保持することが期待される。
また原始海洋の大部分が金属鉄によって還元消費されることで、もともと地球が保持していた水が適度な量にまで減らされ、「わずか 0.023wt% の水」が自律的な調整メカニズムにより実現する可能性も示
唆されている。
本シナリオは、惑星形成過程の最終段階と、地球
表層環境形成の初期段階を繋ぐ、分野横断的な重要な研究課題である。ただし、現在まだその大枠を提案し始めたばかりのところであり、これから詳細な数値計算、および地質学的調査等を通して、検証をJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)

行っていく必要がある。
地球から「地球たち」へ
これまで見てきたとおり、地球型惑星の形成過程、および初期地球環境の進化過程については、主に理論的な研究を通してその理解が進んできた。しかし、太陽系や地球の形成・進化を論じることは一回性の歴史を研究することに他ならず、その固有性と普遍性、偶然性と必然性を峻別することはなかなか困難であった。ところが、1995 年に初めて太陽系外の惑星が発見され 14)、その後も次々と多様な惑星系が見つかってきたことにより、状況は大きく変化し始めている。
1995 年以来 1800 個を超える太陽系外の惑星が発見されてきたが、その中には地球サイズの惑星も数多く含まれている。さらに 2014 年 4 月には、ついにハビタブルゾーンに位置する地球型惑星の存在も報告されるに至った 18)。最新の見積りによると、銀河系内の恒星の半数近くに地球型惑星が存在していることが示唆されている。これらは地球のように海をたたえて生命を育む惑星が宇宙に充満する可能性、
さらには、そのことにより生命の存在も相対化される可能性を示している。自然科学の次の大きな課題の一つは、宇宙における生命進化の一般性・多様性の探求である。今後、天文学、生物学、地球科学など、多様な視点から宇宙に広がる「地球たち」に関する研究が、相互協力的・分野横断的に推進されていくことを心より期待する。

5.

謝辞
本研究の一部は、科学研究費補助金 若手研究 B（24740120）、および新学術領域研究（領域番号 2605）の助成を受けたものです。
引用文献
1) Adachi, I., Nakazawa, K., and Hayashi, C. 1976. The
gas drag effect of the elliptical motion of a solid bodyin the primordial solar nebula. Progress of Theoretical
Physics. 56: 1756~1771.
2) Chou, C. L. 1978. Fractionation of siderophileelements in the Earth’s upper mantle. Proceedings of
19th Lunar and Planetary Science Conference:
219~230.
3) Dohm, J. M., and Maruyama, S. 2014. Habitable
Trinity. Geoscience Frontiers. in press.
4) Genda, H., and Abe, Y. 2005. Enhanced atmosphericloss on protoplanets at the giant impact phase in thepresence of oceans. Nature. 433: 842~844.

755) Hartman, W. K., and Davis, D. R. 1975. Satellite-sizedplanetesimals and lunar origin. Icarus. 24: 504~515.
6) Hayashi, C. 1981. Structure of the Solar Nebula,
Growth and Decay of Magnetic Fields and Effects ofMagnetic and Turbulent Viscosities on the Nebula.
Progress of Theoretical Physics Supplement. 70:
35~53.
7) Hayashi, C. et al. 1985. Formation of the Solar System.
in Protostars and Planets II. (Tucson: University of
Arizona Press), 1100~1153.
8) Ikoma, M., and Genda, H. 2006. Constraints on themass of a habitable planet with water of nebular origin.
Astrophysical Journal. 648: 696~706.
9) Kasting, J. F., Whitmire, D. P., and Reynolds, R. T.
1993. Habitable zones around main sequence stars.
Icarus. 101: 108~128.
10) Kokubo, E., and Ida, S. 1996. On Runaway Growthof Planetesimals . Icarus. 123: 180~191.
11) Kokubo, E., and Ida, S. 1998. Oligarchic Growth ofProtoplanets. Icarus. 131: 171~178.
12) Lissauer, J. J., and G. R. Stewart. 1993. Growth ofPlanets from Planetesimals. in Protostars and Planets
III. (Tucson: University of Arizona Press), 1061~1088.
13) Matsui, T., and Abe, Y. 1986. Evolution of an
impact-induced atmosphere and magma ocean on theaccreting Earth. Nature. 319: 303~305
14) Mayor, M., and Queloz, D. 1995. A Jupiter-masscompanion to a solar-type star. Nature. 378: 355~359.
15) Mizuno, H. 1980. Formation of the Giant Planets.
Progress of Theoretical Physics. 64: 544~557.
16) Morbidelli, A., Chambers, J., Lunine, J. I., Petit, J.
M., Robert, F., Valsecchi, G. B., and Cyr, K. E. 2000.
Source regions and time scales for the delivery of waterto Earth. Meteoritics & Planetary Science. 35:
1309~1320.
17) Nakagawa, K., Hayashi, C., and Nakazawa, K. 1981.
Growth and Sedimentation of Dust Grains in the
Primordial Solar Nebula. Icarus. 45: 517~528.
18) Quintana, E. V. et al. 2014. An Earth-Sized Planet in
the Habitable Zone of a Cool Star. Science. 344:
277~280.
19) Safronov, V. 1969. Evolution of the Protoplanetary
Cloud and Formation of the Earth and Planets.
(Moscow: Nauka).
20) Sasaki, T., Genda, H., Ueno, Y., Iizuka, T., andIkoma, M. Re-entry of giant-impact fragments and the
dynamical and geochemical consequences. submitted.

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)MINI REVIEWJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13, 76-82

Nakamura K

海底熱水生態系の実態とその地球史を通じた変遷：
地球化学からのアプローチ
東京大学大学院工学系研究科システム創成学専攻
中村 謙太郎Department of Systems Innovation, School of Engineering, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo
113-8656, Japan.
Corresponding author: Kentaro Nakamura, kentaron@sys.t.u-tokyo.ac.jp
Phone: +81-3-5841-7089 Fax: +81-3-5841-7089
Received: Dec. 12, 2014 / Accepted: Dec. 24, 2014(seafloor hydrothermal ecosystems, hydrothermal fluid
chemistry,geochemical
approach,Rock-FluidEcosystem linkage, biomass potential)

Abstract
Chemosynthetic ecosystems at seafloorhydrothermal vents have long been regarded as importantanalogues not only to the Earth’s early ecosystems but
also to extraterrestrial life. The ecosystems are known tobe sustained by chemical energy obtained from inorganic
substances in hydrothermal fluids and ambient seawater(e.g., H2S, CO2, H2, CH4, and O2). This leads us toconsider that the seafloor hydrothermal ecosystems arelargely affected by chemical compositions ofhydrothermal fluids. In this review, I present recent
studies on seafloor hydrothermal ecosystems through anapproach from a geochemical perspective. I conducted ageochemical modeling based on hydrothermal fluid
chemistry data compiled from more than 80 globally
distributed hydrothermal vent sites. The results clearlyshow relationships between hydrothermal fluid chemistry
and microbial community composition of seafloorhydrothermal ecosystems. I also estimated biomass
potential of the chemosynthetic ecosystems sustained by
global seafloor hydrothermal systems. The estimatedbiomass potential corresponds to only 0.001 % of the
Earth’s total living biomass, suggesting that the seafloorhydrothermal vent ecosystems comprise a rare biomass
fraction of the modern Earth’s biosphere. In the near
future, I will try to conduct another geochemical model
calculation that can provide important insights into theearly evolution of life on Earth.

1. はじめに
海底熱水噴出孔に生息する生物たちは、太陽エネ
ルギーによって維持されている我々地上の生態系とは異なり、直接的には太陽エネルギーに頼らない「地球を食べる生態系」である（図 1）5)。化学合成生態系と呼ばれるこのような生態系は、主として熱水に含まれる水素、硫化水素、メタン、二価鉄といった還元物質を海水中の酸化物質（酸素、硫酸、硝酸など）によって酸化することでエネルギーを得ている。
光合成生態系から独立したこの特異な生態系の発見は驚きを持って受け入れられ 2)、以来初期生命の誕
生や進化との関連が注目され続けている 17)。
このような熱水生態系から生命の進化の道筋を探るための研究アプローチとしては、当然のことながら、生物学的な解析が王道である。事実、リボゾー
マル RNA 等の分子進化系統樹解析から、海底熱水系に生息する化学合成微生物が地球生命の最古の系統であることが示唆されているほか 20)、好熱性酵素の逆進化実験アプローチから祖先型酵素が好熱性であったことを示す研究等も成果をあげている 7, 19)。
一方で、海底熱水生態系は化学反応のエネルギーに頼る化学合成生態系であるがゆえに、化学的に解析するという変化球的なアプローチを使うことも可能
である 6)。このアプローチの利点は、特に海底熱水生態系の地球史を通じた変遷を考える際に顕著となる。なぜなら、過去の地球における生物活動を知るための生物学的な証拠というものが極めて少ないの

Key words: 海底熱水生態系、熱水化学組成、地球化
学的アプローチ、岩石－熱水－生命リンケージ、バイオマスポテンシャル

76

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)に対して、化学的な証拠は岩石などの地質試料の中には少なからず保存されている場合が多いからである 8)。これは、初期生命のアナログとして注目される海底熱水生態系を調べる上で、大変に都合が良いと言える。
筆者らはこのような視点から、現在の海底熱水生態系をはじめ、過去の地球や他の惑星・衛星における同様の化学合成生態系について、その多様性や生息可能性、生態系の規模について制約を与える試みを続けてきた 8-12, 15, 16)。本ミニレビューでは、筆者
らの一連の研究を紹介し、そこから見えてきた海底
熱水生態系の実態とその地球史を通じた変遷について解説する。
図１ 太陽を食べる私達と地球を食べる海底熱水生態系。
してモデル化し，化学的な制約を与えることを試み
た 6, 14)。ただし、当時はまだ海底熱水の化学組成についての知見が十分に蓄積されてはいなかったために、彼らは東太平洋海膨のたった 1 ヶ所の熱水噴出孔だけから理論を構築した。そして、それゆえに海底熱水系の全体像を描き出すまでには至らなかった。
しかしその後、特に 21 世紀に入ってから海底熱水の化学組成データの蓄積は飛躍的に増大していき、
Shock-McCollom 予想の検証と一般化を行う下地は急速に整っていった。
そんな中、日本では 2008 年度から文部科学省新学
術領域研究「海底下の大河」がスタートした。この
プロジェクトの目標は、“多様な海底熱水系と生態系との関わりを，主要な化学合成エネルギー源の供給メカニズムとエネルギー代謝との相互作用からモデ
ル化し，マグマ駆動型「硫黄の大河」，テクトニクス
駆動型「水素の大河」，玄武岩地殻風化に伴う「鉄の大河」および堆積物由来有機続成の影響を受ける「メタンの大河」に大別して，包括的な理解を目指す”というものであった。これこそ、まさにShock-McCollom 予想の検証と一般化に他ならない。
筆者は、この「海底下の大河」プロジェクトに参加したことで、一連の生物地球化学研究の流れに乗ることになった。
研究を始めるにあたって、筆者らはまず海底熱水系の地球化学および海底熱水生態系の生物学について現在までにわかっていることをまとめ、今まさにShock-McCollom 予想の検証と一般化の機が熟していることを示した 9)。その後、実践的研究の第一弾として、異なる地質セッティングに存在する複数のタイプの海底熱水系において代表的な化学組成を持
つ熱水サイトをピックアップし、代謝反応によって得られる化学エネルギーと実際の化学合成生態系の2. 海底熱水生態系の地球化学的実態
海底熱水生態系を育む海底熱水噴出孔という場所
は、“水－岩石反応によって高温で還元的な熱水が低温で酸化的な海水と急速に混合する場”と捉えることができる。このような酸化還元状態の異なる２つの水が出会う場では、酸化還元反応が進行してエネ
ルギーが発生する。これがもし一瞬で平衡に達してしまうのであれば、エネルギーは周囲の海水をほんのちょっとだけ温めるのに使われて終わってしまうだろう。しかし、熱水と海水との混合域では、幸いなことにその混合の速さと温度の低さ故に、酸化還元反応が平衡に達するまでには時間がかかる。そのため、このような場では酸化物質と還元物質が非平衡に共存する状態が定常的に生ずることになる。もちろん、このような熱水域における酸化還元非平衡
も、放って置けばゆっくりと反応が進み、いずれは無機的に平衡に達することになる。しかしながら、生物は酵素という高性能な触媒を使ってこれを先回りすることで、この酸化還元反応のエネルギーを利用することが出来るのである。ちなみに私たち人間も、環境中に非平衡に共存している「還元型炭素（ご飯）」と「酸素」の反応を酵素で先回りして得たエネ
ルギーを利用して生命を維持している。
このような視点に立てば、海底熱水系における化学合成生態系の活動を，その一次生産を支える代謝
反応のエネルギーポテンシャルによって化学的に記述し、解析することができるのではないかと考えたくなる。実際、このようなアイデアを 20 年近くも昔に着想し、理論を築き上げた天才研究者がいる。当時ワシントン大学にいた、Everett L. Shock と Thomas
M. McCollom（敬称略）師弟の二人である。彼らは、海底熱水系における化学合成生態系を，その一次生産を支える代謝反応に着目して一連の化学反応系と77

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)系においても高いレベルで安定している。
（3）一方、水素の濃度は超マフィック岩型の熱水においては硫化水素を凌駕するほどの濃度を示すものの、それ以外の熱水系ではその数百分の一から数千分の一しか含まれず、熱水ごとのバリエーションが大きい。このことを反映して、水素を用いた代謝によって得られるエネルギー量には熱水組成の影響が反映されやすく、サイトごとの違いが大きい。
（4）堆積物の関与する一部の熱水系においては、非常に高濃度のメタンが含まれる場合がある。このような特殊な熱水系においては、メタンの酸化によって得られるエネルギーが高いために、メタンを食べる生物にとって有利な環境が生じ得る。
（5）さらに、これらの結果を現在得られている海底
熱水系の微生物生態系組成解析の結果と比較したところ、生物学的な研究結果を整合的に説明できることがわかった。このことは、熱水化学（および、その地質背景）と海底熱水生態系組成との間に化学的な関係性が成り立っていることを示している。
これによって、Shock-McCollom 師弟が予想した熱水化学−生態系リンケージと、それを包括した「海底下の大河」モデル（地質−熱水−生態系リンケージ）が正しかったことが証明された。

ポピュレーションとの間に、確かに関係が存在していることを示した 15, 16）。さらに、主要な地質セッテ
ィングと熱水の特徴を網羅した汎地球的な解析の実現を目指して熱水化学組成データのコンパイルを進め、2013 年に全世界の 80 サイト以上を網羅した熱水化学組成データセットの構築を完了した。そして2014 年、これを利用した海底熱水系の網羅的解析を行い、Shock-McCollom 師弟の夢であり、「海底下の大河」プロジェクトの最終目標でもあった「地質背景−熱水化学−熱水生態系間の化学リンケージの統一的説明」に成功した 11)。その結果、以下のことが明らかになった（図 2）。
（1） 海底熱水は、その背景となる地質セッティン
グによって｢中央海嶺型｣と｢島弧－背弧型｣、さらに｢堆積物関与型｣に分けることができる。さらに、それらの化学組成は基盤となる岩石の種類に応じて、水素に富む「超マフィック岩型」、メタンに富む「堆積物関与型」、そして硫黄に富む「玄武岩～酸性岩型」の三種類に大別することができる。
（2）全てのタイプの海底熱水において、硫化水素の濃度は常に高く、かつ濃度のバリエーションが少ない。そのため、硫黄代謝によるエネルギーは熱水組
成のバリエーションの影響を受けにくく、どの熱水

図 2 様々な地質セッティングにおいて噴出する熱水から、各代謝反応によって得ることが可能なエネルギーの量。
い海底熱水生態系が｢ひょっとして地球生命のHidden Majority なのではないか？｣などという、ちょっと胸がドキドキワクワクするような命題にもアプローチすることが可能となる。また、そこまで壮大な話ではなくとも、生態系の規模を地球化学的に制約することができれば、海底熱水生態系の炭素循環への寄与であるとか、生物圏の地球史を通じた変遷
といった第一級の問題を定量的に紐解くための重要な手掛かりとなる。そこで、次なる目標として海底

3. 海底熱水生態系のバイオマス見積り
海底熱水生態系の多様性が、地質背景およびそれを反映した熱水の化学組成と密接にリンクしている
ことが明らかとなると、次に気になるのは（１）海底熱水生態系の規模（バイオマス）はどの程度のものなのか？ということと、（２）それぞれのタイプの生態系（代謝別、地質セッティング別）はどのような割合で存在しているのか？ということである。ここが明らかになれば、全貌を直接見ることの出来な

78

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)熱水生態系のバイオマスを見積る研究に着手した 12)。
では実際、どのように海底熱水生態系の規模を見積れば良いのだろうか。ここに重要なヒントをもたらしてくれたもう一人の天才がいる。NASA エイムズ
研究センターの Tori, M. Hoehler（敬称略）その人である。彼は生命の生存限界を探るためのツールとして、やはりエネルギーに注目していた。そして、その中でもメンテナンスエナジーという概念が持つ、生命活動を考える上での本質的な重要性に気が付いていた 4)。これは端的に言えば“生命はたとえ増えたり運動したりしなくても、維持するだけでエネル
ギーが必要である”ということであり、生命の物理
化学的本質を表した概念と言える。生命は、その活動を支える複雑な機構を維持・運営するためのエネ
ルギーを常に必要としており、さらに生体を構成す
る有機炭素は酸化的環境下では化学的に安定ではな
いために、二酸化炭素への酸化に抗するためのエネ
ルギーも必要となる。そのため、ある量のバイオマ
スを維持するために、最低限供給されていなければならないエネルギーフラックスというものが存在するのである。
このことを、約 37 兆個の細胞からなる人体という生態系で考えれば、メンテナンスエナジーというのは基礎代謝（正確には、単位重量あたりの基礎代謝なので｢基礎代謝基準値｣）に相当する。今、フィッ
トネスジムに通って積極的に運動したりすることを考えなければ、ご飯の量を増やす（エネルギーフラックスを上げる）と体重（バイオマス）は増大し、ご飯の量を減らす（エネルギーフラックスを下げる）と体重（バイオマス）は減少する。これは、成長期を過ぎた大人の読者にとっては実感をもって納得できる話であると思う。もちろん、人体は高度に組織化されておりその維持には大きなエネルギーが必要であるし、体温を周囲の環境よりも高い温度で一定に保つのにも莫大なエネルギーを消費しているので微生物生態系と完全に同じとは言えないが、エネル
ギーフラックスとバイオマスの間に関係があることは、この例えで理解できると思う。このことは逆に、エネルギーフラックス一定の下では、バイオマスはある値に収束する（すなわち、暴飲暴食をしなければ理想的な体重を維持できる）ということを示している。したがって、海底熱水系に供給されているエネルギーフラックスを見積ることができれば、バイオマスの上限を見積れるのではないか、というのが著者の発想の原点である。
このような視点に立てば、海底熱水生態系の規模を推定するために必要なのは、生態系に供給されるエネルギーのフラックスということになる。前章で述べた通り、海底熱水生態系は熱水と海水との混合によって生ずる化学非平衡を利用してエネルギーを獲得しており、単位量あたりの熱水から獲得可能な79

図 3 現在の海底熱水系によって支えられているバ
イオマスポテンシャルの (A) 地質セッティングごと、(B)代謝反応ごと、および (C) 好気性／嫌気性
反応の割合。
最大エネルギー量も計算できることが示されている。
したがって、海底熱水生態系に供給されるエネルギ
ーフラックスを求めるために必要なのは、あとは熱水のフラックスだけということになる。この熱水フラックスの推定というのは、地球科学者の間では古くからポピュラーなテーマであり、手法も遥か昔に確立されている 3)。すなわち、熱水というのは 1200℃のマグマによって 2℃の海水を 350℃に暖めたものと考えれば、マグマの供給フラックスから熱水の供
給フラックスを計算できるというものである。したがって、海底熱水系で維持できるポテンシャルバイ
オマス量は、海底熱水のフラックスと、熱水から化学的に得られる代謝エネルギー、そして生物を維持するのに必要なメンテナンスエナジーから求めることができるわけである 12)。

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)なお、ここで用いるエネルギーからバイオマスを制約する方法では、見積られる値があくまでも最大値（これをバイオマスポテンシャルと呼ぶ）であることに注意が必要である。熱水中の還元物質のうち、生物が実際に利用しているものが 100%ということは考えられないし、利用した化学エネルギーが全て生態系の維持に使われるわけでもない。したがって、
エネルギーから見積られたバイオマスよりも実際の
それは遥かに少ないということは十分に考えられる。
しかしながら、利用可能なエネルギーを超えるバイ
オマスが存在することは考えられないため、上限を切るという意味では強力な制約条件になり得る。
このような地球化学的な方法によって、現在の地球における熱水生態系のバイオマスポテンシャルを見積った結果、以下のことが明らかとなった。
（1）熱水生成量の多さを反映して、海底熱水生態系のバイオマスの大部分は中央海嶺に存在し、日本列島周辺を含む島弧－背弧の海底熱水系における存在量は、総量としては少ない（図 3A）。また、堆積物の関与する特殊な地質セッティングに存在する海底
熱水系における存在量も、中央海嶺と比べれば非常に少ない（図 3A）。
（2）海底熱水生態系のバイオマスのうち、大部分は硫黄の酸化反応によって維持されており、水素やメタンの酸化によって維持されるものは少ない（図3B）。さらに、これらを合わせた好気反応全体で実に 99.992%のバイオマスを賄っており、嫌気的な反応によって得られるエネルギーで維持できるバイオ
マスは極々僅かである（図 3C）。
（3）海底熱水系全体で維持することが可能なバイオマスポテンシャルの総量は 0.0074 Pg C と見積られた。これは、陸上と海を合わせた光合成生態系全体と比べるとわずか 0.001%に過ぎず、海底熱水系に集う「地球を食べる生態系」は地球全体で見ると稀少な構成要素であることがわかった。このことは、地球の生物圏がいかに太陽からのエネルギーの恩恵を受けているかを如実に表している。

4. 海底熱水生態系の地球史を通じた変遷に迫る
既に述べたように、海底熱水生態系の多様性や規模を化学的に制約することができると、生命の地球史を通じた変遷を考える際に非常に有用であると期待される。そして、過去 20 年にわたる天才たちの先駆的な試みと、最近 5 年間の著者らの一連の研究によってその準備は整ったと言える。
著者らは地球生命圏進化史解読の第一歩として、
過去の海底熱水系の物理化学条件からそこで生きる
生態系を制約する試みを 2011 年に行っている 10)。

80

前章までの研究によって明らかとなったように、現在の地球上のあらゆる海底熱水系において、好気的代謝反応のエネルギーのポテンシャルは嫌気的反応のそれに比べて圧倒的に高い。これは，極めて優秀な酸化剤である分子状酸素が、海水中に満ち満ちているためである。このことは，光合成（この場合はその副産物である酸素）の恩恵が、実は光の届かな
い海底熱水系における化学合成生態系にも行き渡っていることを示している。一方，初期地球や地球外惑星・衛星では，高濃度の酸素の存在は想定されない。そこで、このような海水組成の違いが海底熱水系の化学合成生態系に与える影響を定量的に評価するために， 酸素に乏しく（PO2 = 現在の 1/100000）
13)，それゆえに硫酸にも乏しい（1 mmol/kg）18) 初期地球を例に検討を行った。その結果、このような条件下では当然のことながら、現在の地球において主要なエネルギーソースとなっている好気的な硫化水素酸化反応や水素酸化反応のエネルギーが使えな
いことがわかった（図 4）。そのため，現在の地球において多様な化学合成生態系を育くんでいる中央海
嶺玄武岩熱水系や島弧－背弧の熱水系は，ほとんど
代謝エネルギーを産み出さない砂漠のような場所であった可能性が高い。一方，H2 に富んだ超マフィッ
ク岩型の熱水系においてのみ，酸素を使わない嫌気的反応でエネルギーを得ることができる。また、堆積物の関与する熱水系においては、酸素が無くても嫌気的メタン酸化反応によってエネルギーを獲得できる可能性が示される。
現在の地球を例にとれば、このような場での嫌気的反応によって維持されている生態系は、海底熱水生態系全体の 0.008%に過ぎないと見積られている（図 3C）。このことは、光合成誕生以前の初期地球における海底熱水生態系が、現在よりも遥かに小規模であったことを示唆しているように見える。もちろん、初期地球における海底熱水生態系の規模と時代変遷を定量的に議論するためには、このような地質セッティングが現在よりも多かった可能性を検討する必要がある。事実、超マフィック岩の露出が現在よりも多く、それゆえに水素に富んだ熱水のフラックスが大きかった可能性は十分にある 17)。また、
熱水供給量が現在とどのように異なっていたのかも見積る必要があろう。海底熱水生態系の根源的なエネルギー源である地球内部から表面にもたらされる
熱は、地球史を遡るほど大きくなることが知られている 1)。このような課題を１つ１つ解決しつつ、海底熱水生態系のバイオマスの地球史を通じた変遷を描き出すという筆者らの試みは、現在も進行中である。その結果については、別の機会に紹介できればと思う。

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)図 4 （A）現在の地球と（B）初期地球における、各地質セッティングの海底熱水から、各代謝反応によって得ることが可能なエネルギーの量。
the ocean. Ann Rev Earth Planet Sci. 24: 191~224.
4) Hoehler, T. M. 2004. Biological energy requirements
as quantitative boundary conditions for life in thesubsurface. Geobiology 2: 205~215.
5) Karl, D. M. 1995. Ecology of free-living hydrothermalvent microbial communities, pp. 35~124. In: Karl DM(ed) Microbiology of deep-sea hydrothermal vents.
CRC Press, Boca Raton.
6) McCollom, T. M. and Shock, E. L. 1997. Geochemical
constraints on chemolithoautotrophic metabolism by
microorganisms in deep-sea hydrothermal systems.
Geochim Cosmochim Acta 61: 4375~4391.
7) Miyazaki, J., Nakaya, S., Suzuki, T., Tamakoshi, M.,
Oshima, T., and Yamagishi, A. 2001. Ancestral residues
stabilizing 3-isopropylmalate dehydrogenase of an
extremethermophile:
Experimental
evidence
supporting the thermophilic common ancestor
hypothesis. J Biochem 129: 777~782.
8) Nakamura, K. and Kato, Y. 2007. A new geochemical
approach for constraining a marine redox condition of

謝辞
本稿で紹介した一連の研究は、独立行政法人海洋研
究開発機構の高井 研博士と共同で行っているものです。また本研究の一部は、文部科学省科研費新学
術領域研究「海底下の大河：地球規模の海洋地殻中の移流と生物地球科学作用」の支援を受けて実施されました。ここに記して感謝申し上げます。
引用文献
1) Arevalo, R. Jr., McDonough, W. F., and Luong, M.
2009. The K/U ratio of the silicate Earth: Insights into
mantle composition, structure and thermal evolution.
Earth Planet Sci Lett 278: 361~369.
2) Corliss, J. B., Dymond, J., Gordon, L. I., Edmond, J.
M., von Herzen, R. P., Ballard, R. D., Green, K.,
Williams, D., Bainbridge, A., Crane, K., and van Andel,
T. H. 1979. Submarine thermal springs on the
Galapagos Rift. Science 203: 1073~1083.
3) Elderfield, H. and Schults, A. 1996. Mid-ocean ridgehydrothermal fluxes and the chemical composition of81

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)15) Takai, K. and Nakamura, K. 2010. Compositional
physiological and metabolic variability in microbialcommunities associated with geochemically diverse
deep-sea hydrothermal vent fluids, pp 251~283. In:
Barton LL, Mandl M, Loy A (ed) Geomicrobiology:
Molecular and Environmental Perspective. Springer,
Berlin.
16) Takai, K. and Nakamura, K. 2011. Archaeal diversity
and community development in deep-sea hydrothermal
vents. Curr Opin Microbiol 14: 282~291
17) Takai, K., Nakamura, K., Suzuki, K., Inagaki, F.,
Nealson,K.H.,
andKumagai,H.
2006.
Ultramafics-hydrothermalism-hydrogenesis-hyperSLi
ME (UltraH3) linkage: A key insight into earlymicrobial ecosystem in the Archean deep-sea
hydrothermal systems Paleontol Res. 10: 269~282.
18) Walker, J. C. G. and Brimblecombe, P. 1985. Ironand sulfur in the pre-biologic ocean. Precamb Res 28:
205~222.
19) Watanabe, K., Ohkuri, T., Yokobori, S., andYamagishi, A. 2006. Designing thermostable proteins:
Ancestral mutants of 3-isopropylmalate dehydrogenase
designed by using a phylogenetic tree. J Mol Biol 355:
664~674.
20) Woese, C.R. and Fox, G.E. 1977. Phylogenetic
structure of the prokaryotic domain: The primary
kingdoms. Proc Natl Acad Sci USA 74: 5088~5090.

Early Archean. Earth Planet Sci Lett 261: 296~302.
9) 中村謙太郎・高井 研 2009. 海底熱水系の物
理・化学的多様性と化学合成微生物生態系の存在
様式．地学雑誌 118: 1083~1130.
10) 中村謙太郎・高井 研 2011. 海底熱水系の生物
地球化学：海底熱水の化学的多様性は熱水生態系を規定するか？地球化学 45: 281~301.
11) Nakamura, K. and Takai, K. 2014. Theoreticalconstraints of physical and chemical properties ofhydrothermal fluids on variations in chemolithotrophic
microbial communities in seafloor hydrothermal
systems. Progress Earth Planet Sci 1: doi:
10.1186/2197-4284-1-5.
12) Nakamura, K. and Takai, K. in press. Geochemical
constraints on potential biomass sustained bysubseafloor water-rock interactions. In: Ishibashi J,
Okino K, Sunamura M. (eds) Subseafloor Biosphere
Linked to Global Hydrothermal Systems: TAIGA
Concept. Springer Japan, Tokyo.
13) Pavlov, A. A. and Kasting, J. F. 2002.
Mass-independent fractionation of sulfur isotopes in
Archean sediments: strong evidence for an anoxic
Archean atmosphere. Astrobiology 2: 27~41.
14) Shock, E.L., McCollom, T., and Schulte, M.D. 1995.
Geochemical constraints on chemolithoautotrophic
reactions in hydrothermal systems. Origins Life Evol
Biosphere 25: 141~159.

82

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)MINI REVIEWJournal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13, 83-89

Gusev ONatural born survivors:
mechanisms that allow some animals to be OK in outer space
Institute of Space and Astronautical Science, JAXA, 2-1-1, Sengen, Tsukuba, Ibaraki, 305-8505, JAPANInstitute of Fundamental Biology and Medicine, Kazan Federal University, Parizhskoi komm. Str. 9, 420008, Kazan,
RUSSIA
Corresponding author: Oleg Gusev, oleg@cryptobio.com
Phone: +81-9075969811
Received: Dec. 15, 2014 / Accepted: Jan. 5, 2015
interplanetary missions.
Among the organisms successfully adapted to severe
environmental stresses, those resistant to water deficit
are of special interest as promising models for
astrobiological experiments, since general effect of spacevacuum on living cells is extreme dehydration. Whilemost living organisms have limited ability to resist water
loss, many species from certain taxonomic groups have
evolved the ability to inhibit this. However there are alsoorganisms which can resist extended period of complete
dehydration, entering a particular state termedanhydrobiosis14,70).
It is widely accepted that anhydrobiosis had evolved
independently several times, but all anhydrobionts share
key features: in a water-free state they lack all dynamic
features of a living organism due to the absence of
metabolism, but preserve biomolecules and are able torestore biological activity upon rehydration12, 13,24, 80).
While there are many anhydrobiotic species among thebacteria, the protists and the plants, among themetazoans, anhydrobiosis is found only in several groups
of invertebrates. The invertebrates, being the highest andmost complex anhydrobionts with a developed system oftissues, the genetic system close to the mammalians anda highly developed host-symbiont interactions, areprobably the most attractive group for application inastrobiological studies. In this short review we outline
the key features of the main groups of anhydrobiotic
invertebrates that are already utilized or are being
proposed for future application in real astrobiologicaland space life sciences programs both inside of thespacecraft and in the outer space.

Abstract For a long time the combination of stresses(vacuum, space radiation, space UV, temperaturefluctuations) of outer space was believed to be lethal for
terrestrial organisms and, thus, idea of possibility ofinterplanetary transfer of life was not supported by any
experimental evidence. During the last decades, a set ofinternational space research programs (“Expose-R”,“Biorisk 1-3”, “Stone”, “Biopan”, etc.) revealed thatsome groups of microorganisms and animals are resistantto the outer space exposure and potentially capable tointerplanetary transfer, including re-entry into theatmosphere. The absolute majority of the organisms
resistant to the harsh outer space environment arepresented by anhydrobiotic (even of the Earth capable tosurviving without water) species. A midge Polypedilum
vanderplanki (a.k.a. the sleeping chironomid) is the mostcomplex, yet believed to be “evolutionary the youngest”
animal with ability to anhydrobiosis. The confirmed
survival and further reproduction after months of outerspace exposure here is a cumulative result of
evolutionary traits providing this insect withanhydrobiotic abilities.
Key words: anhydrobiosis, sleeping chironomid, outerspace
1. Introduction: Anhydrobiosis in living organisms
An increasing number of terrestrial organisms are
becoming recognized for their ability to withstandvarious extreme abiotic stresses. Understanding thelimits of such resistance is fundamental in assessing thepossibility of interplanetary transfer of life, and also to
determine a search strategy for signs of life during future83Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)cross-tolerance to external stresses, including ionizing
radiation73-74).

2. The holo-anhydrobiotic and developmental
stage-restricted anhydrobiotic invertebrates
The term “holo-anhydrobiotic” is used to refer to thegroups of invertebrates which can enter an anhydrobiotic
state at any stage of their life cycle40). This groupconsists of taxa with direct development and the ability
to undergo anhydrobiosis often extends to the egg stage,and includes three types of metazoan invertebrates: therotifers, the tardigrades and some nematodes56).
The African sleeping chironomid Polypedilum vanderplanki is the only known true anhydrobiotic insect72.
Many insects are resistant to water-loss, but the majority
cannot tolerate desiccation beyond a certain threshold.
However the larvae of P. vanderplanki inhabiting the
temporal water pools in semi-arid areas of Africa getcompletely dehydrated upon seasonal evaporation, yetthey are able to restore metabolism upon rehydration andcontinue ontogenesis. Interestingly, the sleeping
chironomid is also a single anhydrobiotic species in alarge Polypedilum (chironomid) genus, consisting of
more than 100 species. . The sleeping chironomids areable to undergo anhydrobiosis only during the larvalstage, which lasts 2-3 weeks out of approximately amonth long life cycle73-77).
Recent studies suggest this species, similar to otherinvertebrate anhydrobionts, tolerate desiccation byreplacing its water by trehalose and through the activityof specialized proteins including LEA andchaperons43,27,67, 80). The ability of anhydrobiosis in thisspecies is likely to have evolved independently. In theanhydrobiotic form the larvae can be preserved for an
extended period of time and exhibit a high

3. Astrobiological experiments of exposure ofanhydrobiotic invertebrates to space environment
Anhydrobiotic invertebrates can express extremely
high tolerance against various abiotic stress and their
combinations, comparable with severe conditions ofouter space. At the same time, for a long time, possibilityof transfer of living organisms (especially higher
multicellular forms) through the space (“panspermia”
theory) has been criticized using several key arguments
including lack of platforms for experimental testing andimpossibility for terrestrial organisms to survive
continuous exposure to the combination of harmful
factors of space environment, especially space vacuum
and radiation32-35). However, in a sequence of uniqueexperiments it have been shown that at least bacterial andfungal spores can survive in both short-term (up to 10days) unprotected and more than five years (if embedded
in chemical protectant) exposure to space vacuum in areal spaceflight16,4,65).
Today, inspired by promising results from spaceexperiments with prokaryotes, an increasing number ofmulticellular organisms are being actively utilized in
astrobiological studies4). We are now only at the starting
point of the road leading to understanding the borders of
resistance in higher terrestrial eukaryotes to spaceenvironment. Table 1 summarizes the chronology spaceexperiments on anhydrobiotic invertebrates which havealready been conducted and those which are waiting to
be done in near future.

Table 1. Astrobiological experiments using dormant stages of invertebratesYear
1973-1987

1984 -1990
1994
1997
2007
2007-2010

Spacecraft/Facility
Bion, Salyut,
Apollo/Biostack,Biobloc, Exobloc
experiment series
LDEF
Foton-9/Biopan-1
Foton-11/Biopan-2
Foton-M3/Biopan-6
Biorisk-MSN

2009-20102014-future

EXPOSE-R
EXPOSE-R2

2013-future

Biorisk-MSN2

Test objects
Artemia cysts

Duration
6-22 days

Type of exposure
Inside of spacecraft
Partial exposure to outer space

Artemia cysts
Artemia cysts
Artemia cysts
Tardigrades
Crustacean cysts
Insect larvae
Insect larvae
Crustacean cysts
Insect larvae
Crustacean cysts
Insect larvae

6 years
10 days
11 days
14 days
2.5 years

Inside of sealed container
Inside of spacecraft
Inside of spacecraft
Outer space
Outer space

1.5 years
1-1,5 years

Outer space
Outer space/Mars-like environment
Outer space

Up to several years

84Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)consists of three containers, each containing 24 Petridishes 65 mm in diameter. Every plastic dish, containing
various anhydrobiotic samples, including cysts ofcrustaceans and chironomid larvae was equipped with afilter permeable to air. The loaded containers weretransferred to RKK Energia and delivered to the ISS
onboard Soyuz-TMA-10 in April 2007. On June 6 2007,
the Russian cosmonauts performed EVA, which included
Biorisk hardware installation. The Biorisk hardware wasplaced on a support platform and attached to the outerwall of the PIRS docking node (Fig. 1).
Prior to the placement, lids of each container wereopened. Due to changes in overall EVA schedules, thefirst container was removed 13 months later (rather than
6 months, as initially expected), the second one was
retrieved after 18 months, and the final, third container
was removed from the platform after 31 months of
exposure to outer space. “Biorisk” was the first spaceexperiment focused on exposure of higher eukaryoticorganisms to outer space for duration comparable withthat of interplanetary flight. In addition, due to theexperimental design, no temperature control was
conducted and the biological objects experienced severe
fluctuations in temperature with the highest values
exceeding +90 ˚C (some of the plastic cases had melted).
Surprisingly, most of the crustacean species as well as
the sleeping chironomid larvae survived more than 1.5
years flight, showing that even terrestrial invertebrates
can resist exposure to outer space comparable in duration
to return mission to Mars51). How the anhydrobiotic
invertebrates have resisted high temperature during theexposure is yet to be explained in details, but laboratory
experiments suggest that space vacuum, harmful for an
ordinary living organism, might have acted as athermo-insulator in outer space, preventing the biologicalobjects from overheating, while the temperature of thecontainers increased3).

Series of LEO flight experiments using cysts ofArtemia in the frame of Apollo and Cosmos biosatellites
programs conducted in 1973-1990 provided the firstevidence that such complex organisms as invertebrates
can successfully survive short-term exposure to spaceenvironment in containers both inside and outside of aspacecraft52-53). Two groups of the cysts (one of which
was placed inside the spacecraft and another on the outerside to be exposed to outer space) successfully survived
the spaceflights and showed no significant difference inthe rate of hatching19).
Further space experiments using pre-flight andon-flight irradiation of the cysts with gamma rays withthe doses ranging from 50Gy to 500Gy revealed thateven such combination of stresses had little effect onsurvivability of the cysts. It was concluded that underconditions of ambient temperature and protection fromspace ultraviolet, encapsulated embryos of thecrustaceans can resist harmful effects of space vacuum
and excessive radiation level during a short-term
spaceflight. New insights on the resistance of Artemia
came from the results of unexpectedly prolonged Long
Duration Exposure Facility (LDEF) space experiment.
Under condition of protection from the space vacuum
and ultraviolet, a part of encysted Artemia embryos wereable to hatch after nearly six years spaceflight20-22).
In 2007 two tardigrade species were exposed to outerspace environment in Bion-6 mission on LEO for 12
days. In addition to space vacuum and space radiation,
the anhydrobiotic tarigrades were irradiated with whole
specter of UV using artificial source onboard thespacecraft. While ultraviolet was lethal factor for most of
the exposed tuns, the tardigrades that were not irradiatedsuccessfully resisted outer space conditions41).
Another important step in understanding thecross-resistance of anhydrobiotic invertebrates tocombination of stresses of outer space was made in“Biorisk” experiment. The Biorisk hardware (Fig. 1B)

Fig. 1. Facilities for long-duration astrobiological experiments in outer space. A: LDEF (1984-1990); B: EXPOSE-R(2009-2010); C: Biorisk-MSN (2007-2010). Credits: NASA, Roscosmos.

85

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)3) Baranov V. M., Novikova N. D., Polikarpov N. A.,
Sychev V. N., Levinskikh M. A., Alekseev V. R.,
Okuda T., Sugimoto M., Gusev O. A. and Grigor'ev A.
I. (2009). The biorisk experiment: 13-month exposureof resting forms of organism on the outer side of therussian segment of the international space station:
Preliminary results. Dokl Biol Sci 426: 267-270.
4) Brack A., Horneck G. and Wynn-Williams D. (2001).
Exo/astrobiology in europe. Origins Life Evol B 31:
459-480.
5) Caprioli M. and Ricci C. (2001). Recipes for
successful anhydrobiosis in bdelloid rotifers.
Hydrobiologia 446: 13-17.
6) Chen S. B. and Glazer I. (2004). Effect of rapid andgradual increase of osmotic stress on survival ofentomopathogenic nematodes. Phytoparasitica 32:
486-497.
7) Clegg J. S. (2007). Protein stability in artemia
embryos during prolonged anoxia. Biol Bull-Us 212:74-81.
8) Clegg J. S., Van Hoa N. and Sorgeloos P. (2001).
Thermal tolerance and heat shock proteins inencysted embryos of artemia from widely different
thermal habitats. Hydrobiologia 466: 221-229.
9) Crowe J. H. and Madin K. A. (1974). Anhydrobiosis
in tardigrades and nematodes. T Am Microsc Soc 93:
513-524.
10) Crowe J. H. and Madin K. A. C. (1975).
Anhydrobiosis in nematodes - evaporative water-loss
and survival. J Exp Zool 193: 323-333.
11) Crowe J. H., Madin K. A. C. and Loomis S. H.
(1977). Anhydrobiosis in nematodes - metabolism
during resumption of activity. J Exp Zool 201: 57-63.
12) Crowe J. H., Oliver A. E. and Tablin F. (2002). Is
there a single biochemical adaptation to
anhydrobiosis? Integrative and Comparative Biology
42: 497-503.
13) Crowe L. M. (2002). Lessons from nature: The roleof sugars in anhydrobiosis. Comp Biochem Phys A
131: 505-513.
14) Crowe L. M. and Crowe J. H. (1992). Anhydrobiosis:
A strategy for survival. Adv Space Res 12: 239-247.
15) Darby B. J. and Neher D. A. (2006). Estimating
genus-specific anhydrobiosis of desert nematodes
from field soils. J Nematol 38: 269-269.
16) de Vera J. P., Ott S., de la Torre R., Sancho L. G.,
Horneck G., Rettberg P., Ascaso C., de los Rios A.,
Wierzchos J., Cockell C., Olsson K., Frias J. M. and
DemetsR.
(2009).
Esa
experimentbiopan-6-germination and growth capacity of lichen
symbiont cells and ascospores after space exposure.

Taking together the results from both laboratory and real
spaceflight experiments have shown that underconditions of protection from solar ultraviolet,
anhydrobiotic invertebrates can fully resist combinationsof harmful factors during a continuous spaceflight. Thus,
data on resistance to solar UV in a real space flightwould be of great interest in order to elucidate limits ofresistance of this group of organisms to outer space.
Since 2009 anhydrobiotic larvae of the sleeping
chironomid together with other biological objects(mostly bacteria and biochemical components) are being
exposed to different levels of solar UV radiation in outerspace in a framework of EXPOSE-R jointly managed by
ESA and Russian Space Agency. Design of EXPOSE-R
hardware allows exposing the samples to different levelof solar UV by protecting them by different filters. The
hardware returned to the Earth in 2013 and analysis of
the effect of different modes of exposure to UV on
biological samples would provide long-awaited
information on limits of resistance of toughest terrestrialorganisms to complete combination of harsh factors of
the outer space71-72).
So far space experiments with living organisms werelimited to LEO there is no evidence that our present
knowledge about resistance of cryptobiotic organisms tospace environment can be extrapolated to realinterplanetary flights. Finally, there is even more exciting
opportunity to extend our knowledge about thepossibility to transfer living organisms through the spaceenvironment in real interplanetary mission onboard
upcoming EXPOSE-R2 and VOZVRAT missions52
jointly operated by ESA and Russian Space Agency. At
least two species of anhydrobiotic invertebrates: larvaeof the sleeping chironomid and tardigrades are used asmodel organisms in this experiment, providing
opportunity to get new exciting updates of our present
knowledge about limits in adaptation of the toughest andmost complex terrestrial survivors to space environment.
4. References
1) Alekseev V. (2007) Diapause in crustaceans:
Peculiarities of induction. In: Alekseev V, Stasio B,
Gilbert J (eds) Diapause in aquatic invertebrates
theory and human use. Springer Netherlands, pp
29-63.
2) Baglioni P., Sabbatini M. and Horneck G. (2008)
Astrobiology experiments in low earth orbit:
Facilities, instrumentation, and results. Complete
course in astrobiology. Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA.
86

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)(2010). Expression of heat shock protein-coding
genes associated with anhydrobiosis in an africanchironomid polypedilum vanderplanki. Cell Stress
Chaperones:28) Hengherr S., Brummer F. and Schill R. O. (2008).
Anhydrobiosis in tardigrades and its effects onlongevity traits. J Zool 275: 216-220.
29) Hengherr S., Worland M. R., Reuner A., Brummer F.
and Schill R. O. (2009). High-temperature tolerance
in anhydrobiotic tardigrades is limited by glasstransition. Physiol Biochem Zool 82: 749-755.
30) Horikawa D. D., Kunieda T., Abe W., Watanabe M.,
Nakahara Y., Yukuhiro F., Sakashita T., Hamada N.,
Wada S., Funayama T., Katagiri C., Kobayashi Y.,
Higashi S. and Okuda T. (2008). Establishment of arearing system of the extremotolerant tardigraderamazzottius varieornatus: A new model animal for
astrobiology. Astrobiology 8: 549-556.
31) Horikawa D. D., Sakashita T., Katagiri C., Watanabe
M., Kikawada T., Nakahara Y., Hamada N., Wada S.,
Funayama T., Higashi S., Kobayashi Y., Okuda T. andKuwabara M. (2006). Radiation tolerance in thetardigrade milnesium tardigradum. Int J Radiat Biol
82: 843-848.
32) Horneck G. (1982). Response of microorganisms tofree space environment. Biol Cell 45: 471-471.
33) Horneck G. (2002). Meteorites as potential source of
microorganisms on early earth and mars. Geochim
Cosmochim Ac 66: A341-A341.
34) Horneck G. (2003). Anhydrobiosis, a capacity forlong-term survival of hostile environmental conditons.
Geochim Cosmochim Ac 67: A157-A157.
35) Horneck G. and Brack A. (1992). Study of the origin,evolution and distribution of life with emphasis on
exobiology experiments in earth orbit. Adv Space
Biol Med 2: 229-262.
36) Horneck G. and Bucker H. (1986). Can
microorganisms withstand the multistep trial ofinterplanetarytransfer-considerations
andexperimental approaches? Origins of Life andEvolution of the Biosphere 16: 414-415.
37) Horneck G., Bucker H., Reitz G., Requardt H., Dose
K., Martens K. D., Mennigmann H. D. and Weber P.
(1984). Microorganisms in the space environment.
Science 225: 226-228.
38) Iwasaki T. (1964). Sensitivity of artemia eggs to the
gamma-irradiation. I. Hatchability of encysted dry
eggs. J Radiat Res (Tokyo) 29: 69-75.
39) Jonsson K. I. (2005). The evolution of life histories inholo-anhydrobiotic animals: A first approach.
Integrative and Comparative Biology 45: 764-770.

Origins Life Evol B 39: 359-360.
17) Denekamp N., Suga K., Hagiwara A., Reinhardt R.
and Lubzens E. (2010) A role for molecular studies inunveiling the pathways for formation of rotifer
resting eggs and their survival during dormancy. In:
Lubzens E, Cerda J, Clark M (eds) Dormancy andresistance in harsh environments. Springer Berlin /Heidelberg, pp 109-132.
18) Franca M. B., Panek A. D. and Eleutherio E. C.
(2007). Oxidative stress and its effects during
dehydration. Comp Biochem Physiol A Mol Integr
Physiol 146: 621-631.
19) Gaubin Y., Pianezzi B., Gasset G., Plannel H. andKovalev E. E. (1986). Stimulating effect of spaceflight factors on artemia cysts: Comparison with
irradiation by gamma rays. Aviat Space Environ Med
57: 583-590.
20) Gaubin Y., Prévost M. C., Cariven C., Pianezzi B.,
Planel H. and Soleilhavoup J. P. (1996). Enzyme
activities and membrane lipids in artemia cysts after along duration space flight. Advances in Space
Research 18: 221-227.
21) Gladyshev E. and Meselson M. (2008). Extreme
resistance of bdelloid rotifers to ionizing radiation.
Proc Natl Acad Sci U S A 105: 5139-5144.
22) Gladyshev E. A., Meselson M. and Arkhipova I. R.
(2008). Massive horizontal gene transfer in bdelloid
rotifers. Science 320: 1210-1213.
23) Glasheen J. S. and Hand S. C. (1988). Anhydrobiosis
in embryos of the brine shrimp artemia characterization of metabolic arrest during reductions
in cell-associated water. Journal of Experimental
Biology 135: 363-380.
24) Goyal K., Pinelli C., Maslen S. L., Rastogi R. K.,
Stephens E. and Tunnacliffe A. (2005a).
Dehydration-regulated
processingoflateembryogenesis
abundant
proteininadesiccation-tolerant nematode. FEBS Lett 579:
4093-4098.
25) Goyal K., Walton L. J., Browne J. A., Burnell A. M.
andTunnacliffeA.
(2005b).
Molecular
anhydrobiology: Identifying molecules implicated ininvertebrate
anhydrobiosis.
Integrative
andComparative Biology 45: 702-709.
26) Grewal P. S., Bornstein-Forst S., Burnell A. M.,
Glazer I. and Jagdale G. B. (2006). Physiological,
genetic,
andmolecular
mechanismsofchemoreception, thermobiosis, and anhydrobiosis inentomopathogenic nematodes. Biol Control 38:
54-65.
27) Gusev O., Cornette R., Kikawada T. and Okuda T.
87

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)environment. Acta Astronautica in press, Corrected
Proof:
52) Planel H., Gaubin Y., Pianezzi B., Delpoux M.,
Bayonove J., Bes J. C., Heilmann C. and Gasset G.
(1994). Influence of a long duration exposure, 69
months, to the space flight factors in artemia cysts,
tobacco and rice seeds. Adv Space Res 14: 21-32.
53) Planel H., Gaubin Y., Pianezzi B. and Gasset G.
(1989). Space environmental factors affecting
responses to radiation at the cellular level. Advancesin Space Research 9: 157-160.
54) Pouchkina-Stantcheva N. and Tunnacliffe A. (2004).
Molecular studies of anhydrobiosis in bdelloid
rotifers. Integrative and Comparative Biology 44:624-624.
55) Qiu Z. and MacRae T. (2010) A molecular overview
of diapause in embryos of the crustacean,&lt;i&gt;artemia franciscana&lt;/i&gt. In: Lubzens E,
Cerda J, Clark M (eds) Dormancy and resistance inharsh environments. Springer Berlin / Heidelberg, pp
165-187.
56) Rebecchi L., Altiero T. and Guidetti R. (2007)
Anhydrobiosis: The extreme limit of desiccation
tolerance. ISJ.
57) Rebecchi L., Cesari M., Altiero T., Frigieri A. andGuidetti R. (2009). Survival and DNA degradation in
anhydrobiotic tardigrades. J Exp Biol 212:4033-4039.
58) Ricci C. and Caprioli M. (2005). Anhydrobiosis inbdelloid species, populations and individuals.
Integrative and Comparative Biology 45: 759-763.
59) Riley I. T., Shedley D. and Sivasithamparam K.
(2001). Anhydrobiosis and reproduction in anguina
australis. Australas Plant Path 30: 361-364.
60) Saeed M. and Roessner J. (1984). Anhydrobiosis in 5
species of plant associated nematodes. J Nematol 16:
119-124.
61) Schill R. (2010) Anhydrobiotic abilities oftardigrades. In: Lubzens E, Cerda J, Clark M (eds)
Dormancy and resistance in harsh environments.
Springer Berlin / Heidelberg, pp 133-146.
62) Shinokawa T. (1997). Effect of dry and wet soil
conditions on hatching rate in asian tadpole shrimp,
triops granarius. Jpn J Appl Entomol Z 41: 237-239.
63) Shishov V. A. (2008). Determination of spacecraft
and phobos parameters of motion in the phobos-grunt
project. Solar Syst Res+ 42: 319-328.
64) Somme L. (1996). Anhydrobiosis and cold tolerance
in tardigrades. Eur J Entomol 93: 349-357.
65) Stoffler D., Horneck G., Ott S., Hornemann U.,
Cockell C. S., Moeller R., Meyer C., de Vera J. P.,

40) Jonsson K. I., Harms-Ringdahl M. and Torudd J.
(2005). Radiation tolerance in the eutardigrade
richtersius coronifer. Int J Radiat Biol 81: 649-656.
41) Jonsson K. I., Rabbow E., Schill R. O.,
Harms-Ringdahl M. and Rettberg P. (2008).
Tardigrades survive exposure to space in low earth
orbit. Curr Biol 18: R729-R731.
42) Keilin D. (1959). The Leeuwenhoek lecture - theproblem of anabiosis or latent life - history andcurrent concept. P Roy Soc Lond B Bio 150:
149-191.
43) Kikawada T., Nakahara Y., Kanamori Y., Iwata K.,
Watanabe M., McGee B., Tunnacliffe A. and Okuda T.
(2006). Dehydration-induced expression of lea
proteins in an anhydrobiotic chironomid. Biochem
Biophys Res Commun 348: 56-61.
44) Marotta R., Leasi F., Uggetti A., Ricci C. and Melone
G. (2010). Dry and survive: Morphological changes
during anhydrobiosis in a bdelloid rotifer. J Struct
Biol:45) May R. M., Maria M. and Guimard J. (1964). Action
diffréntielle des rayons x et ultraviolets sur letardigrade macrobiotus areolatus, a l’ état actif etdesséché. Bulletin Biologique de la France et de laBelgique 98: 349-367.
46) McLennan A. G. (2009a). Ametabolic embryos ofartemia franciscana accumulate DNA damage during
prolonged anoxia. Journal of Experimental Biology
212: 785-789.
47) McLennan A. G. (2009b). Ametabolic embryos ofartemia franciscana accumulate DNA damage during
prolonged anoxia. J Exp Biol 212: 785-789.
48) Meyer C., Stoffler D., Misgaiski M., Fritz J., MoellerR., Rabbow E., Horneck G., De Vera J. P., Cockell C.
and Hornemann U. (2008). Shock experiments insupport of the lithopanspermia theory: The influenceof host rock composition, temperature and shockpressure on the survival rate of endolithic andepilithic microorganisms. Int J Astrobiol 7: 70-70.
49) Neumann S., Reuner A., Brummer F. and Schill R. O.
(2009). DNA damage in storage cells ofanhydrobiotic tardigrades. Comp Biochem Physiol A
Mol Integr Physiol:50) Nicholas W. L. and Stewart A. C. (1989).
Experiments on anhydrobiosis in acrobeloides-nanus(deman, 1880) anderson, 1986 (nematoda).
Nematologica 35: 489-491.
51) Novikova N., Gusev O., Polikarpov N., Deshevaya E.,
Levinskikh M., Alekseev V., Okuda T., Sugimoto M.,
Sychev V. and Grigoriev A. Survival of dormant
organisms after long-term exposure to the space88

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)75) Watanabe M., Sakashita T., Fujita A., Kikawada T.,
Horikawa D. D., Nakahara Y., Wada S., Funayama T.,
Hamada N., Kobayashi Y. and Okuda T. (2006a).
Biological effects of anhydrobiosis in an africanchironomid, polypedilum vanderplanki on radiation
tolerance. Int J Radiat Biol 82: 587-592.
76) Watanabe M., Sakashita T., Fujita A., Kikawada T.,
Horikawa D. D., Nakahara Y., Wada S., Funayama T.,
Hamada N., Kobayashi Y. and Okuda T. (2006b).
Biological effects of anhydrobiosis in an africanchironomid, polypedilum vanderplanki on radiation
tolerance. International Journal of Radiation Biology
82: 587-592.
77) Watanabe M., Sakashita T., Fujita A., Kikawada T.,
Nakahara Y., Hamada N., Horikawa D. D., Wada S.,
Funayama T., Kobayashi Y. and Okuda T. (2006c).
Estimation of radiation tolerance to high let heavy
ions in an anhydrobiotic insect, polypedilum
vanderplanki. Int J Radiat Biol 82: 835-842.
78) Wharton D. A. and Barclay S. (1993). Anhydrobiosis
inthefree-living
antarctic
nematodepanagrolaimus-davidi (nematoda, rhabditida). Fund
Appl Nematol 16: 17-22.
79) Wharton D. A., Goodall G. and Marshall C. J. (2002).
Freezing rate affects the survival of a short-term
freezing stress in panagrolaimus davidi, an antarctic
nematode that survives intracellular freezing.
Cryoletters 23: 5-10.
80) Wolkers W. F., Tablin F. and Crowe J. H. (2002).
From anhydrobiosis to freeze-drying of eukaryotic
cells. Comparative Biochemistry and Physiology
a-Molecular & Integrative Physiology 131: 535-543.
81) Womersley C. (1988). Morphological andbiochemical adaptations to anhydrobiosis in
artificially and naturally dehydrated populations ofditylenchus myceliophagus (nematoda). Am Zool 28:
A20-A20.
82) Wright J. C. (2001). Cryptobiosis 300 years on fromvan leuwenhoek: What have we learned about
tardigrades? Zool Anz 240: 563-582.
83) Yoshinaga K., Yoshioka H., Kurosaki H., Hirasawa
M., Uritani M. and Hasegawa K. (1997). Protection
by trehalose of DNA from radiation damage. Biosci
Biotechnol Biochem 61: 160-161.

Fritz J. and Artemieva N. A. (2007). Experimental
evidence for the potential impact ejection of viablemicroorganisms from mars and mars-like planets.
Icarus 186: 585-588.
66) Thompson J. P. (1990). Treatments to eliminate
root-lesion nematode (pratylenchus-thornei sher andallen) from a vertisol. Nematologica 36: 123-127.
67) Tunnacliffe A., Hincha D., Leprince O. and Macherel
D. (2010) Lea proteins: Versatility of form andfunction. In: Lubzens E, Cerda J, Clark M (eds)
Dormancy and resistance in harsh environments.
Springer Berlin / Heidelberg, pp 91-108.
68) Tunnacliffe A. and Lapinski J. (2003). Resurrecting
van leeuwenhoek's rotifers: A reappraisal of the roleof disaccharides in anhydrobiosis. Philos T Roy Soc
B 358: 1755-1771.
69) Vanvlasselaer E. and De Meester L. (2010) An
exploratory review on the molecular mechanisms of
diapauseterminationinthewaterflea,&lt;i&gt;daphnia&lt;/i&gt. In: Lubzens E, Cerda J,
Clark M (eds) Dormancy and resistance in harshenvironments. Springer Berlin / Heidelberg, pp
189-202.
70) Watanabe M. (2006). Anhydrobiosis in invertebrates.
Applied Entomology and Zoology 41: 15-31.
71) Watanabe M., Kikawada T., Fujita A. and Okuda T.
(2005). Induction of anhydrobiosis in fat body tissue
from an insect. Journal of Insect Physiology 51:
727-731.
72) Watanabe M., Kikawada T., Minagawa N., Yukuhiro
F. and Okuda T. (2002). Mechanism allowing an
insect to survive complete dehydration and extreme
temperatures. J Exp Biol 205: 2799-2802.
73) Watanabe M., Kikawada T. and Okuda T. (2003).
Increase of internal ion concentration triggers
trehalose synthesis associated with cryptobiosis inlarvae of polypedilum vanderplanki. J Exp Biol 206:
2281-2286.
74) Watanabe M., Nakahara Y., Sakashita T., Kikawada
T., Fujita A., Hamada N., Horikawa D. D., Wada S.,
Kobayashi Y. and Okuda T. (2007). Physiologicalchanges leading to anhydrobiosis improve radiation
tolerance in polypedilum vanderplanki larvae. J
Insect Physiol 53: 573-579.

89

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13, 90-96

MINI REVIEW

Tanaka K

Bacteria made organelles made eukaryotic cells—細胞共生から真核細胞の構築を考える—
東京工業大学資源化学研究所
田中 寛
Chemical Resources Laboratory, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama 226-8503,
JAPAN
Corresponding author: Kan Tanaka, kntanaka@res.titech.ac.jp
Phone: +81-45-924-5274
Received: Dec. 26, 2014 / Accepted: Jan. 6, 2015
Abstract Plant cells are specified by the presence ofchloroplasts within the cell, and this organelle hasoriginated by the ancient symbiosis of a free-living
cyanobacterium. On the other hand, mitochondria are theorganelle found in every eukaryotic cell, and has also
beenderivedfromthesymbiosisofan-proteobacterium. However, while the basicarchitecture shares some common characteristics witharchea, the origin of the nucleus remains elusive. In thissmall article, I discuss the origin and evolution of
eukaryotic cells based on present hypotheses andresearches of primitive eukaryotic cells.
Key words: chloroplast, hydrogenmitochondria, nucleus, symbiosis

アーケアは同じ原核細胞であるバクテリアよりも寧ろ真核細胞に近縁な面を多く持つ。一方で、DNA から RNA、タンパク質への遺伝情報の流れ、さらにコドンとアミノ酸の対応も共通であることから、全ての細胞は同じセントラルドグマの枠組みに基づいて機能している。これは、全ての細胞が共通祖先の末裔であることを意味している。しかし、これらの細胞のお互いの進化的な関係性についてはまだ議論の余地が多い。
2. 真核細胞の進化に関する仮説
地球の歴史は４７億年とされるが、３０数億年以上前の岩石に既に生命の痕跡が見つかっており、これは現在のバクテリアに近い生物由来とされている。
これに対して、どうやら真核細胞の証拠が見つかるのはようやく１０数億年前。地球の歴史上、原核細胞の方が真核細胞より古くから存在したことにはどうやら間違いがない。共通祖先を仮定するのであれ
ば、単純な細胞から複雑な細胞が進化したに違いないが、その間の経緯については諸説が存在する。
筆者の学生時代、教科書には真核細胞の進化として 二 つの 説が よ く取 り上 げ られ てい た 。一 つはMargulis に代表される共生説で、葉緑体は自由生活のシアノバクテリアの細胞内共生により、ミトコン
ドリアは従属栄養性好気性バクテリアの細胞内共生により進化したものと考えた 6)。葉緑体やミトコン
ドリアには、核ゲノムとは異なる固有のゲノム DNA
が存在する。これらの塩基配列が決定された結果、これらオルガネラと祖先バクテリアとの類縁関係は疑うことができない。その結果、これらオルガネラ

hypothesis,

1. 原核細胞と真核細胞
地球上の全ての生物は細胞をその基本単位として成り立ち、その細胞に原核細胞と真核細胞の２種類があることが、初等生物学の教科書にも書かれている。原核細胞には通常の光学顕微鏡で観察される目立った内部構造がなく、一方で真核細胞には細胞核、ミトコンドリア、葉緑体をはじめとした膜で囲まれたオルガネラ構造（細胞内小器官）があり、様々な細胞生理機能に対応している。要するに、真核細胞は複雑であり原核細胞は単純である。さらに、リボ
ゾーム RNA の配列に基づいた系統解析の結果、原核細胞がバクテリアとアーケアとに大別され、これにより現在では細胞は全体として３つのドメインからなることが判明している 14)。原核細胞ではあるが、90

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)の起源として、共生説は現在では定説とされるに至っている。この仮説ではさらに、9+2 構造をもつ鞭毛や中心体が、スピロヘータ様バクテリアの共生に由来するとも考えた。しかし、このアイデアにはその後も余りサポートする証拠がない。真核細胞の起源としては細胞核の起源が最も重要なポイントであるが、このプロトタイプの共生説からは、明確なシナリオは見えていないように思われる。未知の宿主細胞に、細胞核の基として別生物（アーケア？）が入り込んだとしても、宿主のイメージも明確ではな
いし、アーケアがどのような経緯で細胞核となったのかも説明されていない。
もう一つの仮説は膜進化説。バクテリアを出発点として、細胞膜の貫入により複雑な膜系が細胞内に発達し、新たに二重膜に取り囲まれた細胞核と核ゲノムが作られたとする。ここで、元のバクテリアのゲノムはミトコンドリアに受け継がれていくが、この場合、ミトコンドリアのゲノムに対して核ゲノムは極めて急速に進化したはずだ。しかし、現在のゲノムの進化速度の実情からは、これは考えにくい。
また、細胞核とアーケアが近縁であることを考えると、原始真核細胞から核が飛び出してアーケアになったのか。或いは、アーケアが大本であったのなら、新たに進化したミトコンドリアが飛び出してバクテリアになったのか、細胞共生なしに真核細胞を考える場合には、ありそうにないシナリオを考えざるを得なくなってしまう。
ミトコンドリアの起源に関して、Cavalier-Smith による興味深い考察についてもここに触れておく。ミ
トコンドリアが好気性バクテリアの共生に由来するとすれば、共生された側の宿主細胞はどのようなものだったのだろう。現在の真核細胞からミトコンド
リアを引き算したような、細胞核だけをもつ細胞を想定して Cavalier-Smith はアーケゾアと呼び、これにバクテリアが共生してミトコンドリアが形成されたとした 1)。実際、嫌気的な環境からミトコンドリ
アを持たない真核細胞が見つかるので、この仮説は一時的に人気の仮説となる。しかし、実際にはこれ
ら嫌気的真核細胞から退化型ミトコンドリア（ヒドロゲノソーム）や、かつてミトコンドリアが存在した証拠が見つかったことから、このアーケゾア仮説には今は証拠がなくなってしまった。細胞核の起源についても Cavailier-Smith はネオムラ仮説として、膜系の進化に注目した独自の主張を行っている 2,3)。
ここでは二重膜をもつグラム陰性バクテリアから一重膜のグラム陽性バクテリアが、そしてそこからアーケアと真核細胞が姉妹群として進化したとする。
真核細胞に普遍的なイノシトール脂質系の起源など、
うまく現象を説明できている面もあるが、積極的にサポートする証拠も余り得られていないのが現状であろう。真核生物がアーケアの内群から進化したと91

する最近の研究も、この仮説とは異なるシナリオを描いているように思われる 13)。
3. 生きた細胞から考える
真核細胞の歴史に関しては、当初はその構造的特徴の顕微鏡観察に基づいた考察が主流であった。しかし、その次世代の研究としては、核・ミトコンド
リア・葉緑体のゲノム DNA 配列を比較し、数学的な系統解析によって類縁関係を求める研究が進められた。このような研究の成果から祖先が同定されるだけでなく、進化的経緯に関する証拠も多く提出され、私たちの知識は飛躍的に深められてきた。しかし、細胞とは生きたシステムであり、核酸の配列情報だけからは予測しがたい構造的な情報、制御ネッ
トワークも含めて進化を考えていく必要がある。また、細胞システムを理解するためには現在の姿だけでなく、そのシステムの進化してきた道筋を知る必要があるだろう。逆に、その進化を知るためには、現在の細胞内に張り巡らされたネットワークの理解も重要である。
4. 葉緑体・ミトコンドリアの進化を逆に辿る
葉緑体は、植物細胞を特徴づけるオルガネラであり、酸素発生型の光合成を始め、植物に固有の様々な生理機能に関わっている。ミトコンドリアと比較すると、葉緑体は祖先シアノバクテリアからの変化も少ないので、細胞共生の経緯やその後の進化についても想像がつきやすい。典型的な維管束植物の葉の光合成組織には、細胞当たり 50−100 個程度の葉緑体が含まれており、バクテリアと非常に良く似た姿
での分裂・増殖が観察される。このような点から葉
緑体は、細胞内に共生したシアノバクテリアではな
いかと古くから考えられてきた。そして、葉緑体内に固有の DNA が発見され、さらにその塩基配列とシアノバクテリア遺伝子との近縁性が示されたことで、葉緑体が細胞共生に由来するという仮説は今では疑い得ない。
シアノバクテリアのゲノムにコードされる遺伝子の数は、少なくとも 2,000 程度あり、大型のシアノバクテリアではその数倍程度である。一方で、普通の維管束植物の葉緑体ゲノムには約 100 の遺伝子しかコードされていない。細胞共生の後、環境応答系などの多くは真核細胞内で不要となり、失われた。
また、多くの遺伝子は核ゲノムに移動し、核内で転写・細胞質で翻訳された後に、タンパク質として葉緑体に輸送されて機能するようになっている。このような変化を経た後も、葉緑体内ではシアノバクテ
リアの時代のまま、バクテリア型の遺伝情報コードが維持されており、細胞質や核とは一線を画したシステムが機能し続けている。
維管束植物の葉緑体ゲノムには 100 程度の遺伝子

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)しか残されていないが、比較的に原始的な状態を維持していると考えられる紅藻などでは、その２倍以上の遺伝子が葉緑体ゲノムから見いだされる。実際に細胞共生後、遺伝子の移動は一方向的に葉緑体から核へと起きており、葉緑体ゲノムは縮小へ、核ゲ
ノムは肥大していったことが見て取れる。逆に、進化の時間を遡ると葉緑体遺伝子の数は増え、核ゲノ
ムは小さくなっていくことで、最終的には共生前の遺伝子構成が再現されていく。共生以前、シアノバ
クテリア細胞のプロテオームはゲノム遺伝子の数と同じで数千のタンパク質からなっていた。共生後に、多くの共生体ゲノム遺伝子が核ゲノムに移動したが、細胞質側からのタンパク輸送によりプロテオームの規模をさほど変えず、葉緑体の生命活動は維持されている。
ミトコンドリアの場合にも共生成立後、葉緑体と同様に、遺伝子の大規模な核ゲノムへの移動が起きている。現在、ミトコンドリアのもつ固有のゲノムには、葉緑体よりさらに少ない数の遺伝子しかコードされていないが、それでもミトコンドリアのプロ
テオームも祖先バクテリアと同様で数千の規模と考えられている。ミトコンドリアの場合にも進化を遡ればゲノムは次第に大型化し、同時に核ゲノムからはミトコンドリアタンパク質の遺伝子が消えて小さな核ゲノムとなっていく。遺伝情報のコードされる場所が変わっただけで、一定の細胞機能は維持されてきたといえるだろう。葉緑体とミトコンドリア、
これら２種の共生由来のオルガネラで観察される進化はよく似ており、共生システム進化のもつ普遍的な性質を示すようにも思われる。
5. 共生細胞のモデル系
筆者らが細胞共生を介した真核細胞進化のモデル
実験系としてきたのは、単細胞紅藻の一種である
Cyanidioschyzon merolae（シゾン）である。シゾン細胞内には単一の細胞核の他に、楕円形の葉緑体が一個だけ観察される。さらに、核と葉緑体に挟まれた円盤状のミトコンドリアも一個だけであり、核・葉緑体・ミトコンドリアという、それぞれ起源的には別細胞由来の３種オルガネラが細胞膜に包まれた、
いかにも「共生体」然とした真核細胞の様子が見て取れる。細胞分裂時には、細胞内でまず葉緑体が２分裂し、引き続いてミトコンドリアの２分裂と細胞核の有糸分裂が起こる 10)。細胞膜の中で規則正しく、点呼をとるように順番に分裂していくオルガネラ達の様子は、真核細胞が細胞同士の共生体として進化してきたことを想起させるに十分である。
原核細胞でも真核細胞でも、細胞が分裂する際に92は、それに先んじたゲノム DNA 複製が必要である。
つまり、DNA を合成するＳ期、そして細胞分裂する
M 期がこの順番に起こることで細胞周期が廻っていく。シゾンのＳ期ではまず葉緑体とミトコンドリアのゲノムが複製し、その後から核ゲノムが複製する。
この３種ゲノムの複製が完了した後に細胞はＳ期を終え、M 期に移行するが、M 期でもオルガネラ分裂が核分裂に先行することは上述の通りである。このように、細胞周期におけるイベントの進行順序が厳密に規定されることは、一般にチェックポイントと呼ばれる制御機構で説明することができる。例えば、オルガネラ DNA の複製が核ゲノム複製に先行するという現象は、オルガネラ DNA 複製が起きたことをチェックして核 DNA 複製を許すチェックポイン
ト機構によって説明される。筆者らの研究グループ
では、葉緑体 DNA 複製が起きたことが、葉緑体で合 成 さ れ る ク ロ ロ フ ィ ル 合 成 中 間 体（Mg-protoporphyrin IX）により細胞質に伝えられ、これが核ゲノム合成を誘導するチェックポイントキ
ナーゼを活性化することを示している 4,5)。これは、共生オルガネラと宿主真核細胞の細胞周期を協調させる分子機構の一端を明らかにしたものである（図１）。このように、元来は別の細胞同士が共生し、お互いの状態をモニター・伝達しながら共生関係を深めていったのが真核細胞進化の基本と考えることができるだろう。
シゾンの核ゲノムにコードされる遺伝子は 5,000弱 9)。葉緑体とミトコンドリアのゲノムはそれぞれ
243、62 遺伝子をコードする 11,12)。オルガネラゲノ
ムにコードされる遺伝子数は、少ないほど核への遺伝子移行、つまり「進化」の進んだオルガネラと考えることができ、この観点からはシゾンのオルガネ
ラは維管束植物などより原始的といえる。シゾンより更に原型に近い細胞を想像してみると、オルガネ
ラゲノムにコードされる遺伝子数は増え続け、共生前のバクテリアゲノムの姿に近づき、同時に核ゲノムの遺伝子は減少していく。ここまでくれば、何のことはない。核、葉緑体、ミトコンドリアの３ゲノ
ムのコードする遺伝子数はどれも 2,000 なり 3,000
なり、ほぼ同レベルの数字に落ち着いてしまいそうで、真核細胞の最初の姿は原核細胞同士の対等な共生コンソーシアムであったのではないかとの想像もそんなに荒唐無稽ではないだろう。これら３種生物に由来する遺伝子群、それに進化に伴って新たに作られた真核細胞に固有の遺伝子群（ESS: Eukaryotic
Signature Sequence）を合わせたキメラとして核ゲノ
ムは構成されている（図２）。

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)図１ 葉緑体成立に伴って進化したチェックポイント群
細胞共生によるオルガネラ成立には、それまで別個の生物であった宿主、および共生体の細胞周期を共役させる必要があった。図には葉緑体増殖周期を宿主真核細胞の細胞周期と共役させるチェックポイントを示している。細胞に光が照射されると、細胞内シグナル伝達系を介して葉緑体 DNA 合成が起こる。これは葉緑体から細胞質への低分子シグナル（Mg-protoporphyrin IX、本文参照）を介して核 DNA 合成を誘導する。順次、DNA 合成の完了がオルガネラ分裂、核分裂を誘導することで、細胞全体としての増殖周期が完了していく。

図２ 真核細胞の核ゲノムを構成する遺伝子の由来
核ゲノムを構成している遺伝子について、４種に分けて考えることができる。まず、祖先となったアーケア
由来の遺伝子（左上）があり、これにミトコンドリアの祖先であるαプロテオバクテリア由来の遺伝子（左下）と、植物の場合はさらにシアノバクテリア由来の遺伝子（右下）が加わる。この他、真核細胞が進化する際にオリジナルに進化したと考えられる遺伝子群（ESS: Eukaryotic Signature Sequence、右上）があり、真核細胞に固有の機能を司る。

93

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)で、メタン菌は有機物の取り込み・代謝能力を獲得した（d）。ここで、トランスポーターなどの膜酵素をアーケア表層に移すため、アーケアのイソプレン鎖からなる膜系もバクテリア型の脂肪酸を主成分とする膜に置き換わる必要があった。そのような進化の結果、アーケアはバクテリアから有機物をもらう
従属栄養性に徐々に移行していった。本来、メタン菌 は 絶 対 嫌 気 性 菌 で あ る が 、 こ れ は PFOR
（Pyruvate:Ferredoxin Oxidoreductase）など独立栄養に必須な酵素が酸素感受性であることによる 8)。従属栄養性となってみれば、メタン菌は独立栄養性のために必須であった酸素感受性酵素（PFOR など）に依存する必要がなくなり、真核細胞として好気的環境に出て行くことができるようになった（e）。ミトコンドリアが酸素呼吸を始めるのは、このシナリ
オでは最後の段階と考えられている。ミトコンドリ
アの祖先バクテリアが、現在のミトコンドリアのよ
うな絶対好気性であれば、これは絶対嫌気性のアー
ケアとの共存は難しかったことだろう。通性好気性菌が嫌気環境でアーケアと共生関係に入り、好気環
境に飛び出したという経緯は考えやすい。

6. 再び真核細胞と核の起源
ここまで考えた上で、真核細胞と細胞核の起源について考え直してみることにする。葉緑体とミトコ
ンドリアのシステムがバクテリア由来であるのとは異なり、細胞核ゲノムに関連した情報処理系は明確にアーケアのそれと近縁である。しかし、現在の真核細胞の核に関する制御系の複雑さはアーケアとは質的に異なっており、その間のギャップが簡単に埋まるものとは考えにくい。Martin と Muller により提唱された水素仮説 7)は、このような状況の中でも最もうまくその進化の道筋を説明しているものと考えられるので、ここでその内容について説明してみる。
7. 水素仮説
前述のように、ミトコンドリアを持たない（もしくは、過去にも持っていなかった）真核細胞は見つかっていない。そこで現在では多くの研究者は、ミトコンドリアのない真核細胞は存在せず、ミトコン
ドリアと細胞核、真核細胞は同時に誕生したのではないかと考えるようになった。つまり、ミトコンド
リアの祖先であるαプロテオバクテリアと、細胞核の元となったアーケアの細胞共生により、一挙にミトコンドリアと細胞核が進化したと考える。水素仮説では、細胞核の元となったアーケアはメタン菌であり、水素と CO2 からメタンを作って生きる独立栄
養生物。ミトコンドリアの元となったバクテリアは、嫌気状態で有機物を分解し、水素と CO2 を廃棄物として放出する従属栄養生物と考えた（図３）。これらの原核生物は、廃棄物と栄養源の利害関係が完全に一致することから、現在でも、実際に密接な共生状態にある例が自然界からも見いだされている（a）。
共生が深化するにつれ、メタン菌は水素と CO2 を効率よく取り込むために、バクテリアをその細胞内に取り込み始める（b）。しかし、完全に取り込まれてしまったバクテリアは、外界から有機物を取り込む
ことができずに飢餓状態となってしまう。細胞内のバクテリアに有機物を供給するには、メタン菌が外界から有機物を取り込んでバクテリアに与えれば良いが、メタン菌は独立栄養性であるので、そのようなシステムを持っていない（c）。ここでバクテリアのもつトランスポーターや代謝酵素の遺伝子が、バ
クテリアゲノムからメタン菌ゲノムに移動すること

8. 進化モデルと実験系をつなぐ
この水素仮説では、現在の真核細胞における代謝系やその局在を、その起源からうまく説明することに成功している。筆者もこの説にかなり信憑性を感じているが、その一方で、最近の系統解析の結果か
らはメタン菌とは別系統のアーケア（エオサイト）から真核細胞が進化したとする説が有力視されている 13)。それでも、現在の真核細胞の真核細胞たる所
以のような複雑なシステム、クロマチン制御や有糸分裂などの細胞核機能、イノシトール脂質やそのリン酸化による制御などがどのように進化してきたかは皆目判らない。共生以前には細胞核は存在しなかったが、共生後の進化で忽然と細胞核が出現した。
これは例えれば、地球や火星、木星が共生している
うちに太陽と太陽系が進化したようなことで、かな
り直感に反することが起きている。進化的シナリオの考察のみならず、今後はシゾンの生きた細胞から掘り下げていくことで、より具体的な細胞核・真核細胞の起源を考察してくことが必要だろう。

94

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)図３ 水素仮説による真核細胞進化の説明(a) 従属栄養性のαプロテオバクテリアは、嫌気条件で有機物を分解して H2 と CO2 を廃棄物として細胞外に捨てている。一方、絶対嫌気性で独立栄養性のメタン菌は、H2 と CO2 を利用して CH4 を発生する。これらの原核生物は、互いに H2 と CO2 を捨てる・利用する関係にあり、近接して共生的な結びつきを持っている。(b)H2 と CO2 の受け渡し効率を上げるため、２種の生物は接近し、次第にメタン菌の内部にαプロテオバクテリ
アが取り込まれていく。(c) αプロテオバクテリアが完全にメタン菌に取り込まれると、αプロテオバクテリ
アは外界から有機物を取り込むのが難しくなってしまった。一方、メタン菌もバクテリアからの H2 と CO2が得られないので、お互いに困った状況である。(d) このような状況を克服するため、αプロテオバクテリアのもつ有機物のトランスポーターや代謝酵素の構造遺伝子が、メタン菌のゲノムに移行し、メタン菌の細胞質（青色）で機能するようになる。また、αプロテオバクテリアとメタン菌では膜脂質の構成が大きく異なるため、トランスポーターはそのままでは機能することが難しかった。これを克服するため、メタン菌の細胞膜がバクテリア型の脂質組成に取って代わられた（赤線）。このような状態になると、メタン菌の細胞質（真核細胞の細胞質）での代謝は殆ど従属栄養的となり、それまで酸素に感受性であった酵素群が不要となる。
CO2 も CH4 に代謝することなく、そのまま排出することになる。(e) 代謝酵素が酸素感受性でなくなったことから、共生細胞は好気環境に進出することができた。この際、αプロテオバクテリアから発生していた H2
は O2 に電子を渡し、ATP 合成を行うミトコンドリアとしての機能が確立していった。

95

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)参考文献
1) Cavalier-Smith, T. 1987. Eukaryotes with nomitochondria. Nature 326: 332~333.
2) Cavalier-Smith, T. 2002. The neomuran origin ofarchaebacteria, the negibacterial root of the universal
tree and bacterial megaclassification. Int. J. Sys. Evol.
Microbiol. 52: 7~76.
3) Cavalier-Smith, T. 2014. The neomuran revolution andphagotrophic origin of eukaryotes and cilia in the light of
intracellular coevolution and a revised tree of life. Cold
Spring Harb. Perspect. Biol. 6: a016006.
4) Kobayashi, Y., Imamura, S., Hanaoka, M., and Tanaka,
K. 2011. A tetrapyrrole-regulated ubiquitin ligase
controls algal nuclear DNA replication. Nature Cell Biol.
13: 483~487.
5) Kobayashi, Y., Kanesaki, Y., Tanaka, A., Kuroiwa, H.,
Kuroiwa, T., and Tanaka, K. 2009. Tetrapyrrole signal asa cell cycle coordinator from organelle to nuclear DNA
replication in plant cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
106: 803~807.
6) Magulis, L. 1970. Origin of eukaryotic cells. Yale
University Press, Yale, USA.
7) Martin, W., and Müller, M. 1998. The hydrogenhypothesis for the first eukaryote. Nature 392: 37~41.
8) Martin, W., and Russel, M.J. 2007. On the origin ofbiochemistry at an alkaline hydrothermal vent. Phil.

Trans. R. Soc. B 362: 1887-1925.
9) Matsuzaki, M., Misumi, O., Shin-I, T., Maruyama, S.,
Takahara, M. et al. 2004. Genome sequence of theultrasmall unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae
10D. Nature 428: 653~657.
10) Misumi, O., Matsuzaki, M., Nozaki, H., Miyagishima,S., Mori, T. et al. 2005. Cyanidioschyzon merolae
genome. A tool for facilitating comparable studies onorganelle biogenesis in photosynthetic eukaryotes. Plant
Physiol. 137: 567-585.
11) Ohta, N., Matsuzaki, M., Misumi, O., Miyagishima, S.,
Nozaki, H. et al. 2003. Complete sequence and analysisof the plastid genome of the unicellular red alga
Cyanidioschyzon merolae. DNA Res. 10: 67~77.
12) Ohta, N., Sato, N., and Kuroiwa, T. 1998. Structure
and organization of the mitochondrial genome of theunicellular red alga Cyanidioschyzon merolae deduced
from the complete nucleotide sequence. Nucleic Acids
Res. 26: 5190~5198.
13) Williams, T.A., Foster, P.G., Cox, C.J., and Embley,
T.M. 2013. An archaeal origin of eukaryotes supports
only two primary domains of life. Nature 504: 231~236.
14) Woese, C.R., and Fox, G.E. 1977. Phylogenetic
structure of the prokaryotic domain: The primary
kingdoms. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: 5088~5090.

96

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)

学会記事
極限環境生物学会第 15 回年会報告
第 15 回年会は、11 月 1-3 日（土日月）に今帰仁コミュニティセンター（沖縄県今帰仁村字仲宗根 230-2）にて開催されました。当日は、多くの会員・非会員の皆様にご参集いただき、口頭発表 19 件、ポスター発表
88 件（昨年：口頭発表 20 件、ポスター発表 65 件）の一般発表の他、沖縄年会実行委員長の仲宗根薫先生（近畿大学）と高木博史先生（奈良先端科学技術大学院大学）の企画による特別セッション「泡盛の微生物科学」～極限環境の視点でとらえ直す～を開催し、学会奨励賞受賞講演 3 件と合わせて大変盛りだくさんな会となりました。参加者合計は 176 名（昨年：238 名、内訳は以下の表）となりました。目標としていた沖縄県外からの参加者 100 名を超え、年会のお世話をいただきました琉球大学・伊藤進先生を始めとした琉球大学の皆様、および、近畿大学・仲宗根先生には年会開催に向け精力的に奔走していただきました。ここで、ご尽力くださいました皆様に感謝申し上げるとともに、当日ご参加いただいた皆様方に事務局一同心より感謝申し上げます。

一般
学生
総計

事前申し込み人数
101（会員 67、非会員 37）
67（会員 40、非会員 27）168（会員 107、非会員 64）

当日申し込み人数8（会員 2、非会員 6）0（会員 0、非会員 0）8（会員 2、非会員 6）

合計
109（会員 69、非会員 45）67（会員 40、非会員 27）176（会員 109、非会員 70）

今回は、企業等技術コーナーには以下の 1 社、1 大学にご参加いただきました。また、企業広告として 4社からの企業広告を受けました。
企業等技術コーナー
・ 興研株式会社
・ 東洋大学生命科学部伊藤研究室（３D プリンターの実演、生命科学系作品の展示）
企業広告
・ エイブル株式会社（要旨集広告）
・ タイテック株式会社（ポスター展示広告）
・ 株式会社トミー精工（ポスター展示広告）
・ 興研株式会社（ポスター展示広告）
学会事務局より、年会へのご協力に関して心より感謝申し上げます。
【特別セッション】「泡盛の微生物科学」～極限環境の視点でとらえ直す～高木博史先生（奈良先端大）と仲宗根薫先生（近畿大）の企画により、以下の 4 名の先生方によるご講演をいただきました。琉球泡盛の歴史から始まり、泡盛の醸造とその基礎と応用研究に関する話をじっくりと伺うことができました。いずれの講演からも「泡盛の素敵な魅力を聴衆の方々に伝えたい！」という意気込みが感じられた素晴らしいセッションでした。講演された講師の先生方には、貴重なお話をしていただき感謝
申し上げます。琉球泡盛の益々の発展を祈念いたしております。
・照屋充子（一般社団法人泡盛マイスター協会）「琉球泡盛事始めとその魅力」
・渡邉泰祐（琉球大学農学部）「泡盛黒麹菌の起源および新規黒麹菌を用いた泡盛醸造への応用」
・高木博史（奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科）「酵母の環境ストレス耐性機構と泡盛酵母の育種への応用」
・塚原正俊（（株）バイオジェット）「泡盛の熟成（古酒）のメカニズム」

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Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)【2014 年度・極限環境生物学会・研究奨励賞】
2014 年度の学会奨励賞は次の 3 名に決定し、受賞講演をいただきました。
・小西 正朗（北見工業大学 バイオ環境化学科）「工学的アプローチによる深海生物-共生菌研究手法の開拓」
・平田 章（愛媛大学大学院 理工学研究科）「アーキアの RNA 合成・編集加工を担う分子装置の構造基盤の解明」
・若井 暁（神戸大学 自然科学系先端融合研究環）「極限環境微生物のエネルギー変換に関する研究－好塩菌の場合」
今回のご受賞大変におめでとうございました。今後のご活躍を祈念しております。

郷田秀一郎先生【優秀ポスター賞】
優秀ポスター賞は、審査員による厳正な審査の結果、以下の 7 名の方々が受賞されました。若手の皆様の今後のご活躍を祈念しております。
・ P-11 上田涼史郎（前橋工科大学大学院 工学研究科 生物工学専攻）放射線抵抗性細菌におけるポリリン酸生産とセシウム蓄積
・ P-23 高橋優嘉（東洋大学大学院生命科学研究科）枯草菌と好アルカリ性細菌 Bacillus pseudofirmus OF4の Na+駆動型べん毛モーター固定子 MotPS の中性環境における Na+親和性の差異の解明
・ P-49 若林佑（東洋大学大学院生命科学研究科） 共培養による Methylobacterium sp. 121 株の運動性に影響を与える因子の探索
・ P-51 嶋根康弘（独立行政法人海洋研究開発機構）フラグメント分子軌道法による酵素開発
・ P-73 舘岡侑輝（東京工業大学大学院生命理工学研究科）超好熱性細菌 Thermotoga maritima 由来キシラ
ナーゼの進化分子工学検討：アルカリ性での比活性が向上した変異型酵素の取得
・ P-77 永田麻梨子（九州大学大学院生物資源環境科学府）Thermococcus kodakarensis に存在する二種のRecJ 様ヌクレアーゼの多様性
・ P-79 高島夏希（九州大学大学院生物資源環境科学府）高純度精製された Thermococcus kodakarensis 由来
DNA ポリメラーゼ D の生化学的機能解析

大島会長（左）と優秀ポスター賞受賞者

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Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)

年会・発表会場風景

第 1 会場（今帰仁コミュニティセンター）

第 2 会場（今帰仁中央公民館・講堂）

懇親会での全体写真

伊藤進先生（左）と沖縄年会運営に携わったスタッフ一同極限環境生物学会事務局

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Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)10th International Conference on Extremophiles
9 月 7〜11 日にわたり、ロシア、サンクトペテルブルグ市にて、第 10 回国際極限環境生物学会（Extremophiles2014）が開催されました（Chair: Elizaveta Bonch-Osmolovskaya 博士）。世界 40 カ国から 300 名を超える参加者が集い、極限環境下における微生物、生態、代謝、機能等について多くの報告が行われ、生命の起源や進化についての議論も活発に行われました。今回の会議では、特に高塩環境における微生物にスポットが当てられ、ドイツの Armen Muklkidjanian 博士による Opening Lecture では、原始地球上における塩の存在と原初の細胞形成と進化との関わりについて報告がなされました。他にも、スペインの Antonio Ventosa 博士や、イスラエルの Aharon Oren 博士らによる好塩微生物をテーマとした Key Note Lecture が目白押しで、好塩菌の話題
は今回の学会の目玉の一つともなりました。本会議の報告は、Extremophiles 誌にも掲載されているので、詳
しくはそちらを参照してください。→Antranikian, et al., (2014) Extremophiles, 18, 789-790.
会議最終日の総会において、次回の開催国は日本に決定し,当学会幹事でもあられる京都大学の跡見晴之先
生を Chair として、2016 年に京都で開催される運びとなりました。日本開催は、1998 年の横浜大会以来であります。当学会会員一丸となって、Extremophiles 2016 京都会議の成功に向け盛り上げていきましょう！
（報告者：加藤千明）【会議の様子】会場入り口には、会議参加者の名前が国別に掲載されていました。日本からは 28 名の参加者でした。

日本から参加した学生たちも頑張って発表！

Antranikian 教授による Key Note Lecture

Mike Adams 教授が ISE アワードを受賞されました。

跡見先生、2016 年の京都開催をアピール。

100

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)

学会誌投稿規定
極限環境生物学会誌投稿規定
１．投稿者の資格
極限環境生物学会誌（ISSN 1348-5474） (Journal ofJapanese Society for Extremophiles)（以下、本誌という）への投稿は極限環境生物学会（以下、本学会という）会員に限る。なお、連名による投稿の場合には、少なくとも著者の一人が本学会会員でなければならない。ただし、日本国以外からの投稿並びに本学会が寄稿を依頼した場合は例外とする。

け付ける。この場合、極限環境生物学会ホームペー
ジに掲載されている投稿要領に従うこと。

２．論文の種類
本誌への投稿論文は、極限環境生物関連分野の原著論文（通常論文、短論文）、総説、並びに諸報とし、いずれも未発表のものに限る。
（１）原著論文 (original papers)：極限環境生物に関する論文で以下の２つのいずれかに該当する論文。
１）通常論文 (regular papers)：極限環境生物に関する論文で、それ自体独立した、価値のある結論ある
いは事実を含む論文。
２）短論文 (short communications)：極限環境生物に関する論文で、断片的な結果ではあるが新しい事実や価値のあるデータを含む短い論文。
（２）総説 (reviews)：極限環境生物のある特定の研究分野について、簡単な歴史的背景を含め、最近の進歩を要約し、可能であれば、将来の研究方向性をも指し示した論文。
（３）ミニレビュー (mini-reviews)：総説の内、比較的短く纏めたもの。
（４）諸報：巻頭言、研究最前線、研究のルーツを探る、学会関連記事等。

５．論文の審査
投稿された論文の内、原著論文、総説、ミニレビュ
ーの審査には、極限環境生物学会誌編集委員の内１名が責任編集委員として関与する。原著論文および総説の審査は、責任編集委員が適宜指名する複数の査読者によりなされる。掲載の可否に関する最終判
定は、査読者からの査読結果報告に基づき責任編集委員が行う。その後、編集委員長が著者に審査結果を通知する。なお、内容・体裁に問題があると判断された原稿については、著者による修正を求める。
修正を求められた原稿は、２ヶ月以内に責任編集委
員に返送することとし、２ヶ月を過ぎて返送されなかった原稿は、著者が原稿を取り下げたものとして処理する。なお、投稿された論文は返却しない。

〒113-8657 東京都文京区弥生 1-1-1 東京大学大学
院農学生命科学研究科応用生命工学専攻（東大院農生科応生工と省略可）極限環境生物学会誌編集委員長
石 井 正 治 ( 電 話 ： 03-5841-8258, FAX ：03-5841-5272) (e-mail: amishii@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp)

６．校正
校正は初稿のみ著者に送付する。到着日より３日以内に、原稿とともに指定された送付先に返送すること。なお、原著論文ならびに総説に関しては、著者
校正時の文章・図表の追加や削除は一切認めない。
７．別刷り
別刷りは、pdf ファイルとして配布する。

３．論文の書き方
論文の用語は日本語または英語とし、別途定める「原稿執筆要領」に従い簡潔に分かりやすく作成すること。総説は原稿３０頁以内、通常論文は原稿２０頁
以内、ミニレビューは原稿１５頁以内、短論文は原稿１０頁以内とする。なお、諸報の頁数に関しては編集委員会で適宜判断する。

８．著作権
本誌に掲載された論文の著作権は本学会に帰属する。
９．その他
極限環境生物学会誌投稿規定ならびに極限環境生物
学会誌論文執筆要領で不明な部分に関しては、極限環境生物学会誌編集委員会において適宜対応する。
なお、必要が認められる場合には、文書化を進めるものとする。

４．論文の受付
論文原稿は諸報を除き、原稿原本の他にコピー３部を付け、送付状とともに簡易郵便書留として下記宛に送付すること。なお、オンラインによる投稿も受

101Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)

論文執筆要領
極限環境生物学会誌論文執筆要領
１．一般的事項（１）テキストファイル形式または Microsoft Word
形式で保存できるワードプロセッサ等を用いて原稿を作成すること。
（２）タイトルページには、1)論文題名、2)著者名、
3)著者所属機関名、4)ランニングタイトル、5)連絡対
応著者名およびその連絡先住所・電話番号・FAX 番号・e-mail アドレス、6)キーワード（５語以内）を明示すること。日本語で作成した論文には、これらの英語訳を併記すること。
（３）論文印刷には A4 版用紙の片面を使用し、１
行４０字（英語の場合には１行６０字）、１頁２５行で印刷すること。イタリック、ボールド、あるいはスモールキャピタルにする語句がある場合は、それぞれ赤字で下線、波下線、二重下線を記すこと。
（４）略語リストがある場合には、本文第１頁に脚注として略語の項を設け表記すること。単位系と省略記号は SI 単位を基本とする。
（５）生物の命名及び記載は International Code of
Nomenclature of Prokaryotes, International Code ofBotanical Nomenclature, International Code ofZoological Nomenclature に従う。学名が初出の場合は全部を記載すること。原則として、２回目以降は属名の頭文字を略号とするが、紛らわしい場合には省略せずに記載すること。
（６）物質名の表記は以下の規定に従うこと。
１）有機化合物の表記および放射性同位元素による標識化合物の表記は IUPAC 規定に従うこと。
２）生化学関連事項の命名は IUPAB 制定の命名法に従うこと。
３）化学式に用いられる記号、略号などは Chemical
Abstracts の用例に従うこと。
（７）論文受理後、完成した本文および図表等の印刷に必要な全てのファイルを収めた電子媒体を編集委員長宛に郵送するか、またはそれらのファイルを
e-mail 添付書類として編集委員長宛に送付すること。
２．投稿論文の構成（１）原著論文は 1)標題、2)アブストラクト、3)本
文、4)引用文献、5)表ならびに図、図の説明文、の順にまとめること。
（２）標題は論文内容を具体的に表す簡潔なものとすること。標題の下に著者名、所属機関名、所在地を書く。著者が複数で、所属機関が異なる場合は、
著者名末尾に上付数字を付けて区別するとともに、連絡対応著者名を指定すること。
（３）原著論文ならびに総説のアブストラクトは英語で記述するものとし、通常論文・総説では200words 以内、短論文では 100words 以内で作成す

102

ること。
（４）通常論文の本文は原則として、緒言、材料および方法、結果、考察（あるいは結果と考察）、謝辞で構成する。短論文では項目分けをしない。
（５）原著論文ならびに総説では、必要に応じて図表を用いる。それぞれの図表を挿入したい位置を、原稿右側の余白部分に指示すること。
（６）文中での文献の引用は、引用文献の項目で整理した文献番号を用いること。図表の引用はその番号によること。
（７）脚注が必要な場合には、該当事項の右肩に通し番号を付け、当該頁の下部に説明文を付けること。
３．引用文献（１）引用文献は下記の例に準じ、本文中の該当人
名あるいは事項の右肩に 1), 1-3)のように番号を付し、また、本文末尾の引用文献の項に第一著者のファミリーネームのアルファベット順に 1., 2., 3., --の番号を付し一括記載する。Ibid., idem は用いないこと。私信、未発表の研究結果、学術雑誌に受理される前の論文、抄録が印刷されていない口頭発表など
は引用文献に含めないこと。雑誌の略号は、Chemical
Abstracts Service Source Index (CASSI) 1907-1984(Cumulative)およびその補遺版により、雑誌名、書名、
年、巻および頁の示し方は下記によること。
（２）雑誌引用のとき
Chuakrut, S., Arai, H., Ishii, M., and Igarashi, Y. 2000.
Characterization of a bifunctional archaeral acylcoenzyme A carboxylase. J. Bacteriol. 185: 938-947.
（３）書籍引用のとき
児玉徹. 1997. V 近代的な微生物利用工業１．アルコール, pp191-197.児玉徹・熊谷英彦編, 食品微生物学,
文永堂出版
４．表と図およびその説明（１）表と図は印刷版下を作成すること。
（２）本文を英語で書いた場合には図表も英文で作成すること。
（３）表と図は一つに対して１頁使う。各頁の右上に著者名ならびに図の番号を入れること。
（４）表題は表の上部分に書くこと。表の内容説明
文ならびに注は、表の下に記述する。注の表示にはa),b),c)を上付で明記し、記述には a),b),c)を上付にせず用いる。
（５）図の標題ならびに説明文は別紙にまとめて印刷すること。図の標題の最後にはピリオドを付し、内容説明は標題の後に改行して記載すること。
（６）写真は明瞭な陽画を必要部数添付すること。

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)学会会則
極限環境生物学会会則（名称）第１条 本会は、極限環境生物学会（英文名：TheJapanese Society for Extremophiles ）という。
（以下本会という）（目的）
第２条 本会は、極限環境生物研究の発展に寄与し、極限環境生物の研究、教育、利用の推進に寄与することを目的とする。
（事業）
第３条 本会は、研究発表会及び講演会等の開催、
極 限 環 境 生 物 学 会 誌 （ 英 名 ： Journal ofJapanese Society for Extremophiles）の発行、
国際極限環境生物学会等との連携事業、研究奨励賞・ポスター賞の授与、その他前条の目的を達成するために必要な事業を行う。
（会員の種別等）
第４条 本会の会員は正会員、名誉会員、団体会員
および賛助会員とする。
2.正会員は極限環境生物に関する研究に従事する、または、これに関心を持つ個人であって、本会の目的に賛同し、定められた会費を納めた者をいう。身分が学生である者および 65 歳以上となった正会員の会費は別に定める。便宜上これらの者をそれぞれ正会員（学生）および正会員（シニア）と称する。
3.名誉会員は、当学会の発展に功労のあった者で、幹事会による推薦、評議員会による承認を経て、会長の指名により決定され、当学会の催すシンポジウム・年会等に招待される。
4. 団体会員は極限環境生物に関心を持つ団
体（法人等）であって、その団体内の本会の目的に賛同する代表者を含めて３名以内の所属者を指名して会員登録を行い、定められた会費を納めた団体をいう。
5. 賛助会員は本会の目的に賛同し、定められた賛助会費を１口以上納めた個人または団体をいう。
第５条 会員は本会が開催する諸事業に参加し、本会の発行する印刷物、PDF 等の配布を受けることができる。
（入会）
第６条 会員として入会しようとする個人または団
体は、本会事務局が定める手続きに従って申し込みを行い、本会会長による承認を得

103

なければならない。
（会費）
第７条 会員は下記の会費を納めるものとする。
正会員
年額 5,000 円（但し身分が学生である者および 65 歳以上となった正会員は申請により年額 2,000 円とすることができる。前者の場合は指導教員の署名、後者の場合は幹事会による事後承認を必要とする。
）
名誉会員 年額 0 円
団体会員 年額 20,000 円
賛助会員 年額 一口以上（一口 30,000 円）（退会）
第８条 会員は会長に届けることによって退会することができる。
（役員）
第９条 本会には会長 1 名、副会長 2 名、評議員若干名、幹事若干名、会計監査 2 名の役員をおく。
2. 会長は本会を代表し、会務を統括する。
3. 副会長は会長を補佐し、会長に事故ある
場合には会長の職務を代行する。
4. 幹事は、幹事長、庶務、学術活動、会計、を分担し、事業計画の立案、事業の実施、庶務会計、シンポジウムの企画立案、学会誌発行、国際極限環境生物学会等との連絡などの本会の事務を行う。
5. 会計監査は本会の会計を監査する。
（役員の選出）第１０条 会長、副会長、評議員は本会の総会において選出される。
2. 幹事、会計監査は、副会長、評議員以外の正会員の中から会長が指名し、総会の承認を受ける。
3. 評議員の任期は２年とし重任を妨げない
が、連続３期を限度とする。但し、会長が指名する評議員はこの限りではない。
（名誉会長）
第１１条 本会には名誉会長をおくことができる。
2. 名誉会長は、本会に対し大局的な見地による適切な助言を与える。
3. 名誉会長は、会長として学会の運営及び発展に特別の功績があった者で、幹事会による推薦、評議員会を経て、総会の承認を受ける。

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)（委員会）
第１２条 本会に学会誌編集委員会、研究奨励賞選
考委員会、シンポジウム委員会を置く。各委員会委員の任期は 2 年とするが重任をさまたげない。
2. 学会誌編集委員会（会長指名の若干名で構成し､委員長は互選する）は学会誌の編集、論文審査の任にあたる。
3. 研究奨励賞選考委員会（副会長が委員長を勤め、学術活動担当幹事と委員長指名の委員、計 10 名程度で構成する）は本会の研究奨励賞受賞者を選考する。
4. シンポジウム委員会（会長指名の若干名で構成し､委員長は互選する）は学術活動幹事と共同でシンポジウムを企画立案し、運営をサポートする。
（評議員会）
第１３条 評議員会は会長、副会長、評議員をもって構成する。会長は年１回以上評議員会を召集し、議長となり、会の重要事項を審議し総会に提案する。
（総会）
第１４条 本会は原則として年１回総会を開き、会務を協議し議決する。
総会は会長が召集する。
第１５条 総会の議決は出席会員の過半数の賛成を104もって行う。
（会計年度）
第１６条 本会の事業年度は 1 月 1 日に始まり、同年 12 月 31 日に終る。
（付則）第１７条 本会則の施行および本会の運営についての細則は総会の議決を経て別に定める。
第１８条 本会則の変更は総会の議決を経て行う。
第１９条 本会則は、1999 年 10 月 19 日より施行する。

2001 年 11 月 29 日改定
2002 年 12 月 1 日改定
2003 年 12 月 1 日改定
2005 年 11 月 7 日改定
2007 年 12 月 1 日改定
2010 年 1 月 1 日改定
2012 年 12 月 1 日改定
2013 年 10 月 26 日改定

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (2)学会細則

極限環境生物学会細則（退会）
第９条 会長は、会費を３年以上滞納した会員を退会させることが出来る。
（授賞）
第１０条 研究奨励賞・ポスター賞の授賞規定は別途定め全会員に配布する。
（細則の変更）第１１条 本細則の変更は総会の議決による。
（付則）第１２条 今期の本会事務局は、東京工業大学大学院
生命理工学研究科 中村聡研究室（横浜市
緑区長津田町）内とする。
第１３条 本細則は、1999 年 10 月 19 日よりこれを
実施する。

（会員）
第１条 入会を承認された正会員、名誉会員、団体
会員、賛助会員は、所定の会費を速やかに
納入する。
（総会）
第２条 総会の議案は副会長、幹事等と共に会長が作成し、評議員会の議を経た後提出する。
議案には前年度の事業内容及び収支決算、
新年度の事業計画、及び収支予算を含むものとする。
第３条 総会は会員の１／１０以上の出席（但し委任状を含む）をもって成立する。
（役員の選出）第４条 会長、副会長、評議員は会員の選挙によって決められる。会長は選挙によらず評議員を指名することが出来るが、総会での承認を必要とする。
第５条 会長は会員の中から少なくとも３名を選んで選挙管理委員を委嘱する。選挙管理委員
は選挙事務を行う。
第６条 会長は、評議員会の承認を得て必要な委員会を作ることが出来る。
（評議員会）
第７条 評議員会は評議員の半数以上の出席（委任状を含む）をもって成立する。
第８条 評議員会の決議は出席者の過半数の賛成により成立する。

2002 年 12 月 1 日改定
2003 年 12 月 1 日改定
2006 年 6 月 30 日改定
2007 年 12 月 1 日改定
2010 年 1 月 1 日改定
2012 年 12 月 1 日改訂

105

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (1)運営体制

極限環境生物学会運営体制（2014~15 年度）

名誉会長

掘越 弘毅

独立行政法人海洋研究開発機構

会長

大島 泰郎

共和化工株式会社 環境微生物学研究所

工藤 俊章

北里大学海洋生命科学部

井上 明

東洋大学 バイオナノエレクトロニクス研究センター副会長

評議員（５０音順、敬称略）

幹事会

秋野 利郎

合同酒精株式会社

幹事長

中村 聡

東京工業大学大学院 生命理工学研究科

石野 園子

九州大学大学院 農学研究院

庶務担当

伊藤 政博

東洋大学 生命科学部

板谷 光泰

慶応義塾大学 環境情報学部

学会誌担当

伊藤 進

琉球大学 農学部

編集委員長

石井 正治

東京大学大学院 農学生命科学研究科

伊藤 佑子

創価大学 工学部

石野 良純

九州大学大学院 農学研究院

今中 忠行

立命館大学 生命科学部

古園 さおり東京大学 生物生産工学研究センター

大島 敏久

大阪工業大学高品 知典

東洋大学 生命科学部

大島 朗伸

島根大学 生物資源科学部

鎌形 洋一

独立行政法人産業技術総合研究所

川上 文淸

一般財団法人北陸産業活性化センター

河原林 裕

九州大学大学院 農学研究院

倉光 成紀

大阪大学大学院 理学研究科

シンポジウ

小林 哲夫

名古屋大学大学院 生命農学研究科

ム担当

学会誌担当

工学部

宇佐美 論

東洋大学 理工学部

道久 則之

東洋大学 生命科学部

ホームペー

三輪 哲也

独立行政法人海洋研究開発機構

ジ担当

為我井 秀行日本大学 文理学部

八波 利恵

東京工業大学大学院 生命理工学研究科

会計担当

小林 良則

財団法人バイオインダストリー協会

青木 俊夫

日本大学 生物資源科学部

佐上 博

東北大学 多元物質科学研究所

跡見 晴幸

京都大学大学院 工学研究科

芝 弘孝

サントリービジネスエキスパート株式会社

伊藤 隆

独立行政法人理化学研究所

鈴木 健一朗

独立行政法人製品評価技術基盤機構

加藤 千明

独立行政法人海洋研究開発機構

高田 泰弘

北海道大学大学院理学研究院

亀倉 正博

好塩菌研究所中川 和倫

愛媛県立今治西高等学校

國枝 武和

東京大学大学院 理学系研究科

長谷川 功

日本大学 生物資源科学部

栗原 達夫

京都大学 化学研究所

半澤 敏

東ソー株式会社 東京研究所

仲宗根 薫

近畿大学 工学部

別府 輝彦

日本大学 生物資源科学部

中村 顕

筑波大学大学院 生命環境科学研究科

丸山 正

独立行政法人海洋研究開発機構

鳴海一成

東洋大学 生命科学部

山岸 明彦

東京薬科大学 生命科学部

東端 啓貴

東洋大学 生命科学部

湯本 勲

独立行政法人産業技術総合研究所

福居 俊昭

東京工業大学大学院 生命理工学研究科

若木 高善

東京大学大学院 農学生命科学研究科

伊藤 俊洋

財団法人北里環境科学センター

渡辺 公綱

東京薬科大学 生命科学部

高瀬 光徳

森永乳業株式会社 研究情報センター

学術担当

会計監査

若手シンポジウム委員会
委員長

折田 和泉

東京工業大学大学院 生命理工学研究科

副委員長

鈴木 宏和

九州大学大学院 農学研究院

小西 正朗

北見工業大学 工学部

峯岸 宏明

海洋研究開発機構

委員

106

井上 謙吾

宮崎大学 IR 推進機構

谷川 実

日本大学 理工学部

布浦 拓郎

独立行政法人海洋研究開発機構

コルネット
リシャー

独立行政法人農業生物資源研究所

Journal of Japanese Society for Extremophiles (2014) Vol.13 (1)

編集委員会
委員長 ：石井正治（東大）
副委員長：石野良純（九大）
委員：阿部文快（青学大）、伊藤 隆（理研）、鎌形洋一（産総研）、河原林裕（九大）、高品知典（東洋大）、為我井秀行（日大）、中村 聡（東工大）、中村 顕（筑波大）、
三輪哲也（JAMSTEC）、湯本 勲（産総研）

学会事務局〒226-8501 横浜市緑区長津田町 4259-J2-13
東京工業大学大学院 生命理工学研究科
生物プロセス専攻 中村聡研究室内極限環境生物学会事務局 中村 聡 (幹事会幹事長)
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学会誌編集〒237-0061 神奈川県横須賀市夏島町 2-15
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発刊日2014 年 12 月 31 日