＜背景＞

リンは地球上の全ての生命にとって不可欠な元素です。近年、リン鉱石の枯渇が問題化し、実際に肥料などの価格が上昇しています。再生可能資源と目されるバイオ燃料もリン資源に依存しており、実際にリンがなければ生産できません。リンの枯渇問題は食料問題にも直結することから、環境中のリンを生物学的に回収する研究を加速させる必要があります。

主に水圏に生息する単細胞の光合成生物を微細藻類と呼びます。微細藻類のなかでも緑色のものが緑藻類で、その中にはトレボウクシア藻類（注5）と呼ばれるグループがあります。健康食品で知られるクロレラなどはトレボウクシア藻類の仲間です。東京大学の河野教授らのグループとチェコ科学アカデミー微生物学研究所のザッハレーダー博士らのグループは長年、パラクロレラ（Parachlorella kessleri）と呼ばれるクロレラの一種に着目して、オイルやデンプンの蓄積を研究してきました。パラクロレラは硫黄飢餓にするとデンプンやオイルの蓄積が加速されることが明らかになっています。最近はパラクロレラの全ゲノム配列の解読も成功しています（プレスリリース：http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry452/）。

下水汚泥やバイオマス焼却灰等、リン含有未利用資源からリンを回収し再利用する技術（リファイナリー）の開発が進んでいます。生物学的リン除去は実際に下水処理施設等で使われている方法ですが、多くの場合、バクテリア（リン蓄積細菌）が用いられています。しかし、クロレラを含む真核生物はバクテリアと比べると細胞の体積が格段に大きく、そのためバイオマス収穫量も大きいことから、将来的に光合成をする光を安価に供給できるようになるなどの条件が揃えば、バイオレメディエーションに使われる可能性があります。また、藻類を飼料や肥料として使おうとするバイオリファイナリーも盛んに研究されています。クロレラなどの微細藻類はリンを蓄積することが知られていましたが、ストレス応答としてリンの蓄積動態がどのように変化するか、また細胞のどこに蓄積するかはよくわかっていませんでした。本研究では、硫黄欠乏ストレス条件に着目して、リンの蓄積動態や蓄積場所に関する研究を実施しました。

＜結果＞

東京大学大学院新領域創成科学研究科の河野重行教授らの研究グループは、東京大学オーミクス情報センターの服部教授、株式会社日立ハイテクノロジーズの許斐博士とチェコ科学アカデミー微生物学研究所のザッハレーダー博士らと協力して、パラクロレラが硫黄欠乏ストレスを受けるとオイルを高蓄積すると同時に、リンの過剰な取り込みが加速されることを発見しました。さらに細胞に取り込まれたリンはポリリン酸として蓄積されることが明らかにしました（図１）。本研究ではリンの蓄積場所も調べました。透過型電子顕微鏡（走査透過像観察機能付き）に搭載したエネルギー分散型X線分析法により、液胞（注6)内の電子密度の高い部分にポリリン酸として蓄積していることを明らかにしました（図２、３）。さらに、透過型電子顕微鏡の結果を詳しく検討した結果、ポリリン酸の量によって高電子密度顆粒の微細構造に変化が生じることがわかりました。

さらにパラクロレラのゲノムとトランスクリプトームデータ（注7）を解析することで、ポリリン酸を合成する酵素としてアクチン様タンパク質（Arp、注8）が用いられていることがわかりました。このことは、クロレラには陸上植物やトレボウクシア藻類以外の緑藻類が使っているポリリン酸合成酵素（ポリリン酸キナーゼ：PPK）とは別のポリリン酸合成経路をもつことを意味しており、進化的にも興味深い点です。

＜今後と社会的意義＞

クロレラを含むトレボウクシア藻類はリンの代謝に関して陸上植物を含む系統とは異なっており、緑色葉緑体をもったグループの中では独自に進化したことを裏付けている可能性があります。今後はこのポリリン酸代謝経路がトレボウクシア藻類全体に共通しているか調べ、高効率でリンを蓄積するクロレラの探索に努める必要があります。クロレラを用いたリンのバイオレメディエーションやバイオリファイナリーには、地上から失われつつあるリンの水中での回収に役立つことが期待されています。

＜謝辞＞

本研究は、東京大学大学院新領域創成科学研究科、株式会社日立ハイテクノロジーズとチェコ科学アカデミー微生物学研究所との共同研究によるものです

本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（CREST）「藻類・水圏微生物の機能解明と制御によるバイオエネルギー創成のための基盤技術の創出」の一環として実施されました。