スケーリーフットが身にまとう硫化鉄の生成機構を解明

2019-09-10　海洋研究開発機構,東京大学大学院理学系研究科,東京大学大気海洋研究所

1. 発表のポイント

◆深海熱水活動域固有種スケーリーフットの鱗に含まれる硫化鉄が生じる過程を最新鋭の顕微分析により明らかにした。
◆スケーリーフットが硫化鉄を形成するメカニズムは、スケーリーフット本体が鱗に放出した硫黄と、海水から浸透してきた鉄イオンとが徐々に反応することで生じるという、他の生物による鉱化作用とは異なるものであることが明らかとなった。
◆このメカニズムは、スケーリーフットに限らず化学合成共生を行う生物が普遍的に硫黄などの代謝物の排出機構を持つ必要性を示唆しており、深海環境における生存戦略の新しい視点をもたらした。

2. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構(理事長　松永　是、以下「JAMSTEC」という。)海洋機能利用部門　生命理工学センターの岡田賢研究員は、国立大学法人東京大学(総長　五神　真)大学院理学系研究科　地球惑星科学専攻の鈴木庸平准教授および大気海洋研究所の佐野有司教授らと共同で、インド洋海域の熱水活動域でのみ生息が知られている腹足類「スケーリーフット」が硫化鉄結晶を鱗に保持する機構を明らかにしました。

スケーリーフットはインド洋中央海嶺の熱水活動域にのみ生息する腹足類で、軟体部表面に鱗を持つことが特徴です(図1)。これまでの研究により、鱗の内部には硫化鉄ナノ粒子が含まれていることは明らかとなっていましたが、硫化鉄が生物学的作用により生じたのか、またどのような過程を経て生じたのかについては明らかになっていませんでした。

そこで本研究グループは、鱗に含まれる硫化鉄について微小領域の元素分析(図2)と最新鋭の電子顕微鏡観察を行い、硫化鉄が生物起源であることを明らかにしました(図3、4)。特に、鱗の内部に含まれる硫化鉄は、スケーリーフットが体内から鱗へ硫黄を放出し、鱗の外部から浸透してきた鉄イオンと反応することで生じていることを明らかにしました。このメカニズムは、他の生物による鉱化作用とは異なるものです。

スケーリーフットは、食道腺の細胞内に硫黄酸化細菌を共生させるなど、熱水噴出孔の極限環境に適応した進化を遂げています。スケーリーフットが鱗に排出している硫黄には共生細菌の代謝物も含まれることを考えると、これは共生メカニズムの一部として進化した全く新しい生存戦略であり、同様の環境に生息している共生生物でも同様な代謝物の排出経路を持っている可能性が示唆されました。

スケーリーフットが生み出す硫化鉄には、半導体である黄鉄鉱(pyrite, FeS₂)や磁性を持つグリグ鉱(greigite, Fe₃S₄)が含まれています。これら硫化鉱物の生成には一般的に高温が必要とされていますが、スケーリーフットは10–20℃の海水温下で生成しています。このことから、スケーリーフットが硫化鉱物を生み出すメカニズムを模倣することで、鉄に限らず広範な機能性無機材料の製造への応用が期待されます。

本成果は、米国科学アカデミーが発行する学術誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」に9月10日付け(日本時間)で掲載される予定です。また、本研究の一部はJSPS科研費JP16H07490、JP22540499、JP26287133の支援を受けて行われました。

タイトル:The making of natural iron sulfide nanoparticles in a hot vent snail
著者:岡田賢¹、Chong CHEN²、和辻智郎³、西澤学²、鈴木庸平⁴、佐野有司^5,6、Dass BISSESSUR⁷、出口茂¹、高井研²
1. 国立研究開発法人海洋研究開発機構　海洋機能利用部門　生命理工学センター　新機能開拓研究グループ、2. 国立研究開発法人海洋研究開発機構　超先鋭研究部門　超先鋭研究プログラム、3. 東筑紫短期大学食物栄養学科、4. 東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻、5. 東京大学大気海洋研究所海洋化学部門、6.天津大学表層地球系統科学研究、7.Maritime Zones Administration & Exploration, Ministry of Defence and Rodrigues, Mauritius

3.背景

熱水噴出孔に代表される深海の極限環境では、陸上や浅海に見られるような、光合成によりエネルギーを得ている生物とは異なり、地球が生み出す化学エネルギーを利用して生きている「化学合成生態系」が形成されています。化学合成生態系に棲む生物は、深海の熱水に豊富に含まれる硫化水素などの小分子をエネルギー源として利用する微生物を細胞内に共生させ、微生物から栄養を受け取るという共生システムを進化の過程で獲得してきました。化学合成生態系に棲む生物は、高温高圧かつ高濃度の硫化水素や重金属に継続して曝されるため、生物量は多いにもかかわらず、熱帯雨林などに比べて生物多様性に乏しく、環境に適応できた生物種は非常に限られます。

熱水噴出孔の代表的な生物の一つであるスケーリーフットは、インド洋中央海嶺にある深海熱水活動域にのみ生息する腹足類で、足の表面に鱗を持つ唯一の巻貝です(図1)。スケーリーフットが初めて見つかったKaireiフィールドでは、摂氏360度におよぶ高温の熱水が黒色の硫化鉱物とともに海底から噴出し(2000年12月14日既報)、ここに生息するスケーリーフットは全身が硫化鉄に覆われています。その後、2009年には深海潜水調査船支援母船「よこすか」および有人潜水調査船「しんかい6500」の調査によって、「Kaireiフィールド」から北北西に約800 km離れた海域にて、Kaireiフィールドよりも熱水に含まれる鉄の量が少ない熱水域「Solitaireフィールド」を発見し、硫化鉄に覆われていないスケーリーフットが生息していることを確認しました(2010年12月13日既報)。これらの熱水活動域に適応するため、スケーリーフットは肥大した食道腺に多数の硫黄酸化細菌を保持し、巨大な心臓で硫化水素を供給するなど、体全体を微生物との共生に有利なように進化させてきました。スケーリーフットは生息域によって遺伝的な差が見られませんが、生息域が特殊な環境に限られ、また個体群間での交流が乏しく、また海底資源開発に伴う生息環境撹乱の懸念から、超先鋭研究開発部門超先鋭研究プログラム CHEN Chong研究員らの貢献によって絶滅危惧種として国際自然保護連合レッドリストに登録されています(2019年7月23日既報)。

Kaireiフィールドのスケーリーフットは、鱗の外部のみならず内部にも硫化鉄を数十〜数百ナノメートルの粒子(ナノ粒子)として保持していることが特徴です。このように硫化鉱物を外骨格に保持している生物は、現在知られている中でスケーリーフットのみです。一方、Solitaireフィールドのスケーリーフットは硫化鉄を全く保持していません。両フィールドに生息するスケーリーフットには遺伝的な差がないことから、スケーリーフットが硫化鉄を作っている可能性も示唆されていましたが、実際には熱水活動域そのものが硫化鉄のナノ粒子を放出する上、鱗の表面にも硫化鉱物を生成する細菌が付着しているため、硫化鉄ナノ粒子を作る主体が何であるかは判然としませんでした。また、硫化鉄の結晶化機構を他の生物が持つ鉱化作用から類推することは困難でした。

そこで本研究では、鱗の詳細な顕微分析により、スケーリーフットの鱗にある硫化鉄ナノ粒子がどのような過程で生じたものかを解析しました。また、有人潜水調査船「しんかい6500」を用い、Solitaireフィールドで採取された硫化鉄を含まないスケーリーフットの鱗をブラックスモーカー熱水が噴出するKaireiフィールドに13日間静置し、生きたスケーリーフットが硫化鉄ナノ粒子の形成にどのように関与するかを調べました。

4.成果

まず始めに、高空間分解能二次イオン顕微鏡により、鱗内外の硫化鉄に含まれる硫黄の同位体分析を行いました(図2)。硫黄には³²Sと³⁴Sという重さの違う同位体が存在し、生物による代謝を経ると軽い³²Sが濃縮され、重い³⁴Sの割合(δ³⁴S)が減少します。一方、熱水活動により生じた硫化鉄では、硫黄の重さによる濃縮は起こりません。スケーリーフットの鱗内部に存在する硫化鉄に含まれる硫黄は、熱水活動域や周辺に生息する貝の筋肉よりも低いδ³⁴Sの値を示しました。このことから、硫化鉄中の硫黄は何らかの生物学的作用を経て鱗に蓄積していることが明らかとなりました。

次に、Kaireiフィールド由来の硫化鉄について、その分布と形状をより詳細に解析しました。この解析では、鱗の最表面から内部に進むに従い硫化鉄の粒径が減少していくという特徴が見られ、また硫黄濃度が特異的に濃い部位も観察されました。加えて、鱗表面に付着した硫化鉄は細菌由来であることも示唆されました。さらに、Kaireiフィールドのスケーリーフットでも、分泌されたばかりの鱗には硫黄が含まれているものの、鉄が含まれないことがわかりました。より立体的に鱗の内部構造を理解するため、最新鋭の収束イオンビーム搭載型走査電子顕微鏡(FIB-SEM)を用いた三次元再構築(※)を行なったところ、硫化鉄ナノ粒子は鱗の長軸方向である成長線に沿って配列していることが明らかとなりました(図3)。このことは、スケーリーフット自らが鱗を成長させる過程で、硫化物を豊富に含む、百ナノメートル幅程度の柱状「通路」を形成していることを示唆しています。

スケーリーフットが硫化物の通路を形成した後にも何らかの作用を及ぼしているのかを検証するため、Solitaireフィールドで採取された硫化鉄ナノ粒子を含まないスケーリーフットの鱗を、硫化鉄を持つスケーリーフットの生息域であるKaireiフィールドに13日間静置したものを電子顕微鏡で観察しました。静置した鱗の表面には硫化鉄をまとった細菌が付着していました。また、鱗の内部にも鉄イオンが浸透し外に近い部分から硫化鉄結晶が生じていましたが、その形状はKaireiフィールドで採取されたスケーリーフットの鱗に含まれているものとは全く異なるものでした。この結果は、鉄がイオンの状態で周囲の海水から鱗内部へと浸透すること、鱗内部で環境由来の鉄とスケーリーフット由来の硫黄の反応が進行すること、正常な硫化鉄ナノ粒子の形成には生きたスケーリーフットが関与していることを示しています。

以上の結果から、鱗表面に付着した硫化鉄とは異なり、鱗の内部に存在する硫化鉄は、スケーリーフットが鱗内部に硫黄を継続的に供給し、海水から浸透してきた鉄と反応するという機構で生じることが明らかとなりました(図4)。他の動物が貝殻や骨などを形成する過程では、すべての材料が同じメカニズムで供給されることが一般的です。スケーリーフットの鉱化作用は半自発的とも取れるもので、深海生物が極限環境に適応する上で獲得した、鉱物形成の新たなメカニズムであると言えます。

5.今後の展望

本研究で明らかとなったスケーリーフットの鱗の中にある硫化物の柱状通路は、微生物によって代謝された後の硫化物を排出するメカニズムの一端であると推定されます。熱水活動域に生息する他の生物も同様の環境にさらされ、多くが共生システムを進化させていることを考えれば、異なる過程を経て硫黄などの代謝物の排出機構として類似の構造や機能を獲得するという収斂進化により他の貝類にも似たような鉱化作用が見られる可能性があります。今後は、硫黄通路の形成メカニズムをより詳細に調べるとともに、他の貝類で類似の現象が起こっていないかについての研究を進めていく予定です。

本研究により、硫化水素や重金属が豊富な環境におけるスケーリーフットの生存戦略と鱗が持つナノ構造機能の一端が明らかとなりました。スケーリーフットが金属硫化物を作り出すメカニズムを応用し、ナノ科学等と連携した研究開発を行うことで、オープンイノベーションによる海洋資源の産業利用の促進が期待されます。

※　FIB-SEMを用いた三次元再構築:樹脂に埋め込んだ試料を走査型電子顕微鏡内で高速のガリウムイオンビームを照射し、試料の表面を削りとって試料断面を観察する手法。観察した断面を繰り返しイオンビームで薄く(数十ナノメートル)削り取ると、新たな断面が観察できる。この観察―切削の工程を繰り返すことで、断面像に深さ方向の情報が加わった三次元的な情報を得ることができる。最後に画像ごとの輝度や位置のずれを調整し処理することで、三次元構造の情報を得ることができる。

図1　スケーリーフットの写真。左がKaireiフィールドで採取された硫化鉄を身にまとう個体。右がSolitaireフィールドで採取された硫化鉄をまとわない個体。