レアアースを必須因子として要求する新たな代謝系

(1)

「産業のビタミン」とも呼ばれる希土類元素（レアアース）

は，さまざまなエレクトロニクス製品などの性能向上に必要不可欠な金属であることから，私たちの生活とかかわりが深い重要金属元素に数えられる．しかし，これまでレアアースが自然界において生態系や生物の生命活動にどのように関与するか，その生物学的意義はほとんど研究されていない．このようななか，近年，メタノールを唯一の炭素源として生育できる属細菌がレアアースを要求する新規なメタノール代謝系をもつことが見いだされ，そのメタノール代謝の鍵酵素がレアアースを補因子とする新規なメタノール脱水素酵素（MDH）であることが明らかとなった．

またレアアースを要求する属細菌が自然界に普遍的に生息すること，さらには属細菌のみならず，根粒菌やメタン酸化細菌などからもレアアース依存的MDHの存在が報告されていることなど，レアアースを要求するC₁代謝系は単なる一部のメチロトローフ細菌群に限った性質ではなく，広く自然界に分布する一般的かつ基盤的代謝系である可能性が示されている．本解説では，この新規なレアアース依存的なメタノール代謝系につい

て AM1株を中心に解説し，鍵酵素レアアース依存型MDHの機能と新規なメタノール代謝系の生物学的意義について説明する．

はじめに

希土類元素（レアアース）は，周期表「第3族」に属するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）の2元素とランタン（La）からルテチウム（Lu）までの15種類のランタノイドを含めた17元素の総称で（図

1

_）

_，磁石

や蓄電池，発光体や超伝導体などといったさまざまなエレクトロニクス製品などの性能向上に必要不可欠な金属であることから「産業のビタミン」とも呼ばれる希少金属群の総称である．レアアースは互いに化学的性質が似ており，原子量が小さいユウロピウム（Eu）までを軽希土類元素，ガドリニウム（Gd）よりも大きい元素を重希土類元素と分類されている（図1）

．

レアアースはその名から，地球上にほとんど存在しない「希少な金属元素」と思われがちであるが，実際は自然界に広く分布する金属元素である⁽¹⁾

．たとえば，ラン

タン（La）とセリウム（Ce）の地殻中の存在量は，それぞれ35 µg/g, 66 µg/gと見積もられており⁽²⁾

，鉛（Pb）

植物共生細菌たちがもつレアアース依存型C ¹ 代謝

中川智行 * ¹ _{，三井亮司} * ² _{，谷明生} * ³ _{，河合啓一} * ¹

Novel Metabolic Pathway Requiring Rare-Earth Elements as an Essential Factor

Tomoyuki NAKAGAWA, Ryoji MITSUI, Akio TANI, Keiichi KAWAI, *¹ 岐阜大学応用生物科学部，*² 岡山理科大学理学部，

*³ 岡山大学資源植物科学研究所

【解説】

(2)

などのベースメタルよりも多く存在するとされている⁽¹⁾

．

つまり，レアアースは自然界においてすべての生物が直接接触している主要金属元素であり，生物はその影響を少なからず受けていると言える．さらにレアアースの産業利用の拡大に伴い，精錬された高濃度のレアアースを利用した工業製品を作り続けていることから，近年，私たちの生命活動に及ぼす高濃度レアアースの影響や環境への流出による生態系への影響など，高濃度のレアアースの生物・生態系に対する「負」の影響に関する研究がこれまで数多く行われてきた⁽³⁾

．

一方，レアアースは自然環境レベルでは生体に対して毒性を示さないことから，自然環境レベルでの「生物とレアアースの関係」に言及した報告はこれまでほとんどない．つまり，自然界で積極的にレアアースを生命活動に利用する生物の存在や，レアアースを必須因子として要求するような代謝系の存在など，レアアースの「正」

の生物学的意義を証明するような研究はほとんどなかった．このようななか，近年，適正濃度のレアアースが植物成長促進作用をもつことが示され^(4, 5)

，生物がレア

アースを積極的に利用している可能性が高いと想像させる事例が報告され始めた．しかし，これら報告ではレアアースによる植物成長促進作用の作用点やその分子メカニズムに関する詳細は記載されておらず，レアアースの

「正」の生物学的意義を証明するには至っていなかった．

レアアースを必須因子として要求する新たな代謝系の存在

1. レアアースに依存したメタノール生育を示す属細菌の発見

私たちのグループではレアアースと微生物のかかわりを探るべく，貧栄養培地上でレアアースにより生育が著しく賦活化される微生物のスクリーニングを試みたところ，サマリウム（Sm）とユウロピウム（Eu）でコロニー径が大きくなるピンク色のコロニーを見いだした⁽⁶⁾

（図

2

_）

．このピンク色のコロニーを形成するEU-1株

（MAFF211642株）は，16S rRNA遺伝子配列が基準株と98％以上の相同性を示し，その生理・生化学的性状からも

sp. と同定された⁽⁶⁾

．

属細菌は，塩素消毒された水道水からも高頻度に単離される貧栄養細菌として知られるが⁽⁷⁾

，その名のとおりメタノールを唯一の炭素源として

生育できるメチロトローフ細菌であり，生態系では植物葉上で放出されるメタノールを資化し⁽⁸⁾

，植物にホルモ

ン様物質などを供給するという生態が理解されつつあ

り^(9, 10)

，近年，注目を集めている植物共生細菌の一種で

図1^■元素周期表とレアアースの分類

(3)

ある⁽¹¹⁾

．そこで，

属細菌のモデル株である AM1株を用いてメタノール生育におけるレアアース要求性を観察したところ，メタノール生育の必須因子とされていたカルシウム（Ca）を培地中から取り除くとAM1株はメタノール生育をほとんど示さないことが知られているが，Caの代わりにLaを培地中に添加すると良好なメタノール生育を示した⁽¹²⁾

（図

3

_A）

．つまり，AM1株もMAFF211642株同様にレ

アアースに依存的なメタノール生育能力をもち，レアアースがメタノール代謝においてCaと同等，もしくはそれ以上の役割をもつ必須因子である可能性が初めて示された．

新規なレアアース依存型メタノール脱水素酵素 XoxF1の機能と役割

1. レアアース依存的なメタノール生育に必要なメタノール脱水素酵素はXoxF1である

属細菌のメタノール生育で，レアアースはどのような役割を果たしているのだろうか？

AM1株が軽希土類元素に特異的なメタ

ノール生育を示したので，軽希土類元素LaによるAM1 株のメタノール代謝酵素群の発現誘導を観察したところ，メタノール脱水素酵素（MDH）がLaにより強力に誘導された⁽¹²⁾

．レアアースによるMDH活性の誘導は

sp. やでも同様に観

察され^(6, 13)

，このことはMDHがレアアース依存的メタ

ノール代謝の鍵を握る因子であることを容易に連想させた．そこで，メタノール／Ca培地とメタノール／La培地で生育させたAM1株からそれぞれMDHを精製し，

両MDH（Ca-MDHおよびLa-MDH）の比較を行った．

その結果，Ca-MDHはこれまで報告されているとおりオペロンにコードされている

α

サブユニット（MxaF）

と

β

サブユニット（MxaI）からなるヘテロ四量体の MxaFIであったのに対し⁽¹⁴⁾

，驚いたことにLa-MDHは

これまで機能未知とされていたにコードされているタンパク質で，

β

サブユニットをもたなかった⁽¹²⁾

．ま

たLa-MDHであるXoxF1は，MxaFIと比較しても十分なMDH活性をもち，予想どおりPQQを補欠分子族とし，これまで報告例のないLaを補因子とする新規な酵素であった⁽¹²⁾

．

これまでXoxF1は，アミノ酸レベルでMxaFと約50％

と高い相同性を示すものの，CaではMDH活性を示さないこと⁽¹⁵⁾

，その遺伝子欠損株はメタノール／Ca培地

に生育できることなどから⁽¹⁶⁾

，

とともにの機能未知のパラログ遺伝子として考えられてきた．しかし，近年，XoxF1が植物葉上や根圏で主要な微生物由来タンパク質として検出されること(11, 17, 18)

，

とがともに欠損するとAM1株はメタノール生育を示さなくなることなど⁽¹⁹⁾

，XoxF1は単なる重複遺伝子

ではなく，何らかの重要な機能をもつことが推測され始め，その機能に関してはさまざまな仮説が挙げられていたものの，その核心を突くものはなかった．そのようななか，レアアース存在下でXoxF1がMDH活性を示した図2^■レアアース（Sm）により生育が賦活化される

sp. MAFF211642株

貧栄養培地（1/100普通寒天培地）上でのMAFF211642株のコロニーの形態．培地にSmを添加することでMAFF211642株のコロニー径は大きくなる．

図3■ AM1野生株および

Δ 株のメタノール生育⁽¹²⁾

（A）AM1野生株はメタノール／Ca培地

（○）でもメタノール／La培地（●）でも同等の生育を示す．一方，（B）Δ 株はメタノール／Ca培地（○）では全く生育できないが，メタノール／La培地（●）にはごく普通に生育できる．つまり，レアアース依存的メタノール生育にはMxaFは関与しないことがわかる．

(4)

ことから，XoxF1の主要な機能はレアアース依存型 MDHであることが初めて明らかとなったのである．

前述のとおり，AM1株はと

，

の3 コピーのMDHパラログ遺伝子をもつが（図

4

_）

_，それぞ

れのMDH遺伝子欠損株のうち，Ca-MDHをコードするの欠損株Δ はメタノール／Ca培地には生育できないが，メタノール／La培地に野生株と同等の生育を示す⁽¹²⁾（図3B）

．一方，Δ

株はメタノール／

La培地にほとんど生育することができない（未発表データ）

．このことから，MxaFIはLa依存的メタノー

ル代謝には一切関与しておらず，La依存的なメタノール生育に必要なMDHはXoxF1であることが示され，

XoxF1がメタノール代謝において重要な機能タンパク質であることが証明された．

2. レアアース依存型メタノール脱水素酵素はさまざまな微生物群に広く分布する

新規レアアース依存型MDHであるXoxF1だが，レアアース依存型MDHは果たして AM1株のみがもつユニークな酵素なのであろうか？答えは，

「ノー」であり， NBRC15690株から精製されたLa-MDHもまた，ではなくにコードされていることが証明されている⁽¹³⁾

．また，XoxF1と

高い相同性をもつMDH遺伝子は属細菌の公開されているほとんどのゲノム配列上で確認できること（図

5

_）

，また私たちが自然界から単離したほと

んどすべての属細菌が遺伝子を

もつことから（未発表データ）

，

レアアース依存型 MDHは属細菌に広く分布することは間違いない事実である．

一方，ゲノム情報からXoxF1と高い相同性をもつ

図4^■ AM1株のMDHをコードする遺伝子とMDHの構成

Ca-MDHはαサブユニット（MxaF: 緑色）とβサブユニット（MxaI: 灰色）からなるヘテロ四量体で，これらをコードするオペロンは，

と，Ca-MDHの電子受容体であるシトクロム LをコードするなどCa-MDHの活性発現に関与する遺伝子群で構成されている．一方，La-MDHをコードするオペロンは，αサブユニット（緑色）のとシトクロムをコードするおよびのパラログ遺伝子のみからなる小さなオペロンである．一方，はオペロン構造をもたず，その遺伝子産物の構造・機能は不明である．

図5■ 属細菌およびさまざまな細菌由来のXoxFの系統樹 XoxF1と高い相同性を示す遺伝子は，

属細菌（薄灰色box）のみならず，根粒菌（濃灰色box）をはじめとしたさまざまな細菌に広く分布するが，それらは分子系統上，MxaF（Ca-MDH）とは異なるグループを形成する．

(5)

MDH遺伝子は属細菌以外にも，ほかのメチロトローフ細菌の ^(20, 21)

，

属^(22, 23)や属，

属，属などの根粒菌，メタン酸化細菌で

ある ^(24, 25)

，光合成細菌

である ⁽²⁶⁾などさまざまな細菌がXoxFのオーソログ遺伝子をもっていることが知られている⁽²⁷⁾（図5）

．特に

sp. MAFF211645

株と SolV株由来XoxF

は精製され，両酵素ともにレアース依存型MDHであることがすでに報告されている^(28, 29)

．さらにSolV株由来

XoxFはその分子立体構造も提示され，Laを中心とした活性中心の構造も明らかになっている^(29, 30)

．このよう

にレアアース依存型MDHは，属細菌のみならずさまざまな微生物群に広く分布する一般的な酵素であることが徐々に明らかとなってきた．

自然界におけるレアアース依存的メタノール代謝系の役割と機能

1. レアアース依存的にメタノールを利用できる微生物は自然界に広く生息する

レアアースに依存的なメタノール生育を示す微生物は自然界にどれくらい生息するのであろうか？私たちはメタノール／La培地を用いて自然界から集積培養でメチロトローフ細菌をスクリーニングしたところ，ほとんどすべての植物サンプルからLa依存的にメタノール生育を示す属細菌が獲得でき，なかに

は従来メタノール生育に必須とされていたCaに依存的なメタノール生育を全く示さず，レアアースのみを要求する株まで存在した（未発表データ）

．このことは，レ

アアースを必須因子として利用するメタノール代謝系をもつ属細菌が自然界に普遍的に存在し，これら微生物達は私たちが常識と考えていたCaよりもレアアースを優先的に利用する，またはそれに依存しているということになる．

また，先述のレアアース依存型MDHのXoxFをもつ

メタン酸化菌は

属細菌同様，レアアース依存的なメタン生育を示すことが報告されているが⁽²⁹⁾

，メチロトローフ

としての報告がない根粒菌属細菌さえもレアアースを加えることでメタノール生育を示す（未発表データ）

．面白いことに，これら菌株はCa依存型

MDHをコードするのオーソログ遺伝子をもたず，レアアース存在下でのみメタノール生育を示す．このことは，これまでメチロトローフとしての報告がない細菌群でもレアアース依存的メタノール代謝系をもっている可能性を示しており，レアアース依存的なメチロトローフ細菌が自然界に広く分布する可能性を示している．

2. 自然界におけるレアアース依存的メタノール代謝系の役割

では，何故これら微生物群がレアアース依存的メタノール生育能力をもつ必要があるのだろうか？これま

図6■植物共生細菌のレアアース依存的メタノール代謝と植物との共生関係

メチロトローフ細菌は植物が放出するメタノールをレアアース依存的に資化し，植物ホルモン様物質を供給することで共生関係を結んでいると考えられる．一方，根粒菌も窒素固定と引き換えに，根から放出されるメタノールをレアアース依存的に利用していることが想像できるが，そのメタノール代謝経路の詳細と役割については不明である．現在，

根粒菌のメタノール代謝経路について，ゲノム情報などからの解析を進めている．

(6)

で見いだされているレアアース依存的なメタノール代謝を示す微生物群は属細菌や根粒菌の属細菌など，植物との共生が知られている細菌群がほとんどである．また，植物は成長の過程において大量のメタノールを生産し，体外に放出していることが知られている⁽³¹⁾

．さらに，

植物根圏には十分なレアアースが存在し⁽³²⁾

，植物がレアアースを根から積

極的に吸収し，根のみならず，茎，葉上にまでレアアースを輸送・蓄積していることが報告されている^(2, 33)

．つ

まり，これら微生物群は葉上や根圏で植物と共生することで常にレアアース依存的メタノール代謝を行える環境下に身を置くことができ，レアアースを利用することで植物の生育や代謝を邪魔することなく，メタノールに生育できることが想像できる．また，これら植物共生細菌群は植物の成長促進を促すことから，報告されている適正濃度のレアアースによる植物成長促進作用^(4, 5)もこれら植物共生細菌群の活性化が要因となっているとの仮説も立てることができる（図

6

_）

．これらはあくまでも仮

説の段階を抜け出せないが，今後，レアアースが微生物と植物の共生関係の鍵を握る因子としての役割を証明できればと考えている．

おわりに

本解説のとおり，自然界においてレアアースが生命活動に利用されていることが証明され，生態系の物質循環においてレアアースが大きな生物学的役割をもつ金属元素であることが理解されつつある．一方，これまでレアアースの生物学的機能が分子・遺伝子レベルで理解されているのは，本解説で紹介したメタノール代謝のみであるが，先述の植物生育促進作用や，属細菌による多糖の生産⁽³⁴⁾

，

属細菌による抗生物質生産^(35, 36)

，微生物による色素の生産（未発表

データ）など，詳細な作用機序は不明ではあるものの，

レアアースにより生命活動が活性化される事例はいくつか報告されている．つまり，レアアースはもっと重要でかつ普遍的な生物学的意義をもつことも十分に考えられ，今後のレアアースの生命活動における機能解明のさらなる進展により，新たな「レアアース・ワールド」の扉が開かれることが期待できる．

謝辞：本解説は，岐阜大学応用生物科学部および岡山理科大学理学部，

岡山大学資源植物科学研究所で行われた研究成果を中心にレアアースの生物学的意義についてまとめたものである．本研究にご協力・ご助言いただいた先生方，多大な貢献をいただいた多くの大学院生および学部学生に感謝いたします．

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プロフィル

中川智行（Tomoyuki NAKAGAWA）

＜略歴＞1999年京都大学大学院農学研究科博士課程修了／同年東京農業大学生物産業学部助手／2001年同講師／2007年岐阜大学応用生物科学部准教授／2013年同教授，現在に至る＜研究テーマと抱負＞微生物のC1代謝制御と酵母の細胞機能の解明

＜趣味＞サッカー観戦（FC岐阜）と野球観戦（阪神タイガース），マンホールの蓋ハンティング＜所属研究室ホームページ＞

http://www1.gifu-u.ac.jp/˜shokuei/index.

html

三井亮司（Ryoji MITSUI）

＜略歴＞1998年京都大学大学院農学研究科博士課程修了／同年岡山理科大学理学部助手／2003年同講師／2008年同准教授，

現在に至る＜研究テーマと抱負＞炭素循環における微生物が果たす多様な役割の解明

＜趣味＞サッカー観戦，ドライブと洗車，

小庭ガーデニング＜所属研究室ホームページ＞http://www.dbc.ous.ac.jp/lab/

microbiology.html 谷明生（Akio TANI）

＜略歴＞1995年京都大学農学部農芸化学科卒業／2001年同大学大学院農学研究科博士後期課程応用生命科学専攻修了／同年岡山大学資源生物科学研究所助手／2012 年スイス連邦工科大学チューリッヒ校客員研究員／2014年岡山大学資源植物科学研究所准教授＜研究テーマと抱負＞メタノール資化性細菌と植物との相互作用＜趣味＞

自転車，車＜所属研究室ホームページ＞

http://www.rib.okayama-u.ac.jp/appl.

microb/index-j.html

河合啓一（Keiichi KAWAI）

＜略歴＞1968年北海道大学農学部農芸化学科卒業／1970年同大学大学院農学研究科博士課程中退／同年同大学農学部助手／

1980年岐阜大学農学部講師／1984年同助教授／1988年同教授／1994年同大学遺伝子実験施設長／2011年同大学応用生物科学部名誉教授／同年東海学院大学教授／

2013年同退職，現在に至る＜研究テーマと抱負＞希土類元素と微生物．微生物から高等生物に至る生命活動と希土類元素とのかかわり＜趣味＞野山散策，スポーツ（水泳）

レアアースを必須因子として 要求する新たな代謝系 - J-Stage

1

，磁石

．

．たとえば，ラン

，鉛（Pb）