科学者たちは新しいタイプの電気伝導細菌を発見した

オレゴン州の汽水域の海岸で、電線のように機能する新種の細菌が最近発見されました。この種は、細菌が発見されたヤキナ湾とその周辺にかつて居住していたネイティブアメリカンのヤキナ族にちなんで、Candidatus Electrothrix yaqonensisと命名されました。

この種はケーブルバクテリアの一種です。ケーブルバクテリアは、両端が互いに鎖状につながり、外膜を共有することで数センチメートルの長さの糸状体を形成する棒状の微生物です。ケーブルバクテリアは海水および淡水の堆積物中に生息し、細菌としては珍しく導電性を有します。これは、特殊な代謝機構によるもので、深層部の硫化物酸化によって生成された電子が表層へと送られ、そこで酸素と硝酸によって電子を受け取ります。

これまでに知られている25種のケーブルバクテリアは、海水に生息するCandidatus Electrothrix属と、淡水および汽水に生息するCandidatus Electronema属の2つの属に分類されています。本研究で発見された新種は、両属の遺伝子と代謝経路を有していますが、Candidatus Electrothrix系統の初期の系統への橋渡しとなると考えられているため、その属に分類されました。

オレゴン州立大学の博士研究員でこの研究の共著者であるチェン・リー氏は声明の中で、最近発見された種は、ケーブルバクテリアがどのように進化し、多様な環境でどのように機能するのかについて新たな知見をもたらす可能性があると説明した。

高い電気伝導性

Candidatus Electrothrix yaqonensisは、既存のケーブルバクテリアとは外観が異なります。ケーブルバクテリアの外殻には、山脈のように広がる隆起が見られます。新種の隆起は、従来知られている種のものよりもはるかに厚く、平均厚さは約228ナノメートルに達し、これまでに観察されたものの最大3倍に相当します。新種の隆起は、糸状体の表面で螺旋状に配列しており、全体的な形状は他の種よりも角張っています。

しかし、最も顕著な違いは、新種のフィラメントが厚く透明な鞘に囲まれていることです。この発見を概説した論文の著者によると、これはこれまで見られなかった構造です。この鞘は電気を通さず、フィラメントを環境や外敵から保護していると考えられています。

この新しいバクテリアの尾根の内側には、ニッケルを中心とする金属錯体を含む繊維があり、これが「生物学的ワイヤー」として機能し、繊維に沿って電子を効率的に輸送します。まるでその構造自体が工学的な意図を持って設計されたかのようです。

この細菌の導体としての物理的性能は驚異的です。研究者らが金電極上に微視的に分離したフィラメントを置き、電圧を印加したところ、電流と電圧の変化を示すグラフは直線的で対称的なIV曲線を示し、高い電気伝導性を示唆しています。この新種の電気抵抗は約370キロオームで、これは既知のケーブル細菌の抵抗と同等かそれ以上です。

遺伝子のモザイク

ゲノム解析の結果、この新種はCandidatus Electrothrix属とCandidatus Electronema属の両方の遺伝的特徴を有することが明らかになりました。遺伝的に異なる物質が単一個体内に混在するこの現象は「モザイク」として知られています。例えば、この新種細菌のシトクロム（電子伝達に関与するタンパク質の一種）にこのモザイクが見られます。Candidatus Electrothrix属の細菌は典型的には1つのヘム（二価鉄原子とポルフィリンからなる複合体）を有しますが、この新種は他のいくつかのケーブル細菌と同様に、2つのヘムを持つシトクロムを有しています。

この新種は、塩分環境への適応方法においても独特です。海水中に生息するCandidatus Electrothrix属は、通常、「ナトリウム輸送NADH-キノン酸化還元酵素（NQR）」と呼ばれる電子伝達酵素を用いて浸透圧を調節します。しかし、Candidatus Electrothrix yaqonensisにはこの酵素が存在せず、代わりに「ナトリウム・プロトン交換トランスポーター（NHE）」と呼ばれる複数のタンパク質が細胞膜を介してナトリウムイオンとプロトンを交換します。これは、塩分濃度が変動する汽水という特殊な環境への適応の結果であると考えられています。

今後の研究により、Candidatus Electrothrix yaqonensisの独特な鞘形成機構と、導電性繊維の自己組織化プロセスが明らかになるでしょう。研究チームによると、この新種は高い導電性と環境適応性を兼ね備えているため、バイオエレクトロニクス分野における新材料として利用できる可能性があります。将来的には、生分解性電子機器やバイオセンサーの開発に役立つ可能性があります。また、その特性は堆積環境における重金属や有機汚染物質の浄化にも役立つ可能性があります。

この記事はもともとWIRED Japanに掲載されたもの で、日本語から翻訳されています。