Peng X, Wilken SE, Lankiewicz TS, Gilmore SP, Brown JL, Henske JK, Swift CL, Salamov A, Barry K, Grigoriev IV, Theodorou MK, Valentine DL, O’Malley MA.
Nat Microbiol. 2021 Feb 1.
doi: 10.1038/s41564-020-00861-0. Epub ahead of print. PMID: 33526884.
草食動物の消化管内の微生物群集は、リグノセルロースの加水分解物を利用して短鎖脂肪酸に変換するように、宿主と共同で進化してきた。草食動物の消化管には、リグノセルロースを分解するために協働する嫌気性微生物の複雑なコミュニティが存在する。これらの微生物群は、植物廃棄物をグリーンバイオテクノロジーの糖質基質に変換するために応用可能な株、経路、酵素の未開拓の資源である。
草食動物の腸内微生物叢には古細菌、細菌、真核微生物が含まれているが、草食動物の腸内微生物叢に含まれるバイオマス分解酵素や微生物ゲノムのほとんどは細菌である。これは、細菌がコミュニティの中で最も豊富なメンバーであるためである。過去10年間のシーケンシング技術の進歩は、草食動物微生物叢の研究に拍車をかけている。しかしこれらの研究は、多様な嫌気性微生物群集が示す化学的生産性についての機構論的な洞察が不足しているために制限されている。希少な微生物は、培養、配列決定、および特徴付けが困難であり、また腸内微生物叢における非細菌性微生物の関係は十分に研究されていない。例えば、嫌気性腸真菌は、草食動物のリグノセルロース分解能力の中心となるバイオマス分解酵素を幅広く保有していることが最近明らかになったが、草食動物の腸内微生物叢におけるこれらの一見機能的に冗長な真菌の役割については、まだ調査されていない。
我々は、ヤギの糞便を用いて、基質と抗生物質の選択が草食動物の腸内群集のメンバーシップ、活性、安定性、化学生産性にどのような影響を与えるかを決定するために、400以上の並列濃縮実験を実施した。糞便群集は、4 種類のバイオマス（alfalfa、bagasse、reed canary grass、xylan）と 2 種類の抗生物質処理（chloramphenicol、penicillin–streptomycin）で濃縮され、クロスドメインのパートナーシップを同定した。濃縮培養は、10世代以上の培養後も安定しており、凍結保存後も変化のない微生物の最小セットに収束した。
我々は、種レベルでユニークな719の高品質のメタゲノムアセンブルゲノム（metagenome-assembled genome: MAG）を構築した。これらのMAGの90％以上は、これまでに同定されていなかった草食性腸内微生物からのものである。嫌気性真菌が支配する微生物群集は、メタン生成量とセルロース分解の両方の点で、細菌が支配する群集よりも優れており、真菌がメタン放出に重要な役割を果たしていることが示唆された。737の細菌、古細菌、真菌のMAGから代謝経路を再構成したところ、真菌とメタン細菌の間の横断的な連携により、酢酸、ギ酸、メタンの生産が可能であることが示唆された一方で、細菌優位の群集は主にプロピオン酸や酪酸などの短鎖脂肪酸を生産していた。各嫌気性コンソーシアムに存在する糖質関連酵素ドメインの解析から、嫌気性細菌と真菌はほとんど相補的な加水分解戦略を採用していることが示唆された。植物バイオマスを分解するための草食嫌気性微生物間の分業は、工業的なバイオプロセシングに利用できる可能性がある。
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