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難培養微生物研究の最新技術III―微生物の生き様に迫り課題解決へ―

  • Current Technology and Innovation with Microbes in Nature
★2004年、2010年に続く大好評「難培養微生物研究」シリーズの第3弾!
★ ゲノム解析技術が広まり、細胞ひとつひとつの役割解明や相互作用への理解が進む!
★ 環境・エネルギー問題や食糧問題を解決する鍵を微生物が握る!

商品コード: T0979

  • 監修: 大熊盛也、野田悟子
  • 発行日: 2015年8月7日発行
  • 価格(税込): 71,280 円
  • 体裁: B5判、261ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1081-7

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  • 微生物ゲノム / メタゲノム / 次世代シーケンサー / シングルセル解析 / 腸内細菌 / 共生細菌 / 微生物相互作用 / 深海底微生物 / 金属腐食 / CO2貯留 / メタン産生

刊行にあたって

栄養源を含有する培地で微生物を純粋培養するというパスツールやコッホ以来の伝統的な分離・培養に基づく手法では扱うことが難しい、いわゆる難培養微生物が認識されるようになってから今日までに、自然環境中の微生物の研究は大きく進展しました。2004年発刊の「難培養微生物研究の最新技術」では、環境中に存在する未知の難培養微生物を実際にどのように研究するのかという技術を中心に、その多様性解析や群集構造のモニタリング手法等について著名な先生方に執筆いただきました。解説いただいた内容は、今では大学の学生実習にも取り上げられる汎用的な技術として普及しています。その後、さまざまな環境の微生物多様性が明らかにされ、多様な微生物の機能を解明するための新しい研究技術が報告されてきました。2010年発刊の「難培養微生物研究の最新技術II」では、次世代シーケンサーによる大規模なゲノム配列情報の解析技術の進展に伴い盛んとなった、難培養微生物群集のゲノムや転写産物をまるごと解析するというメタゲノム・トランスクリプトーム等の研究技術とその成果、難培養微生物の資源化への取り組み等を解説いただきました。御陰様で、両書とも好評を博し、多くの研究者の方に手にとっていただきました。

最近では、生命現象を1細胞単位で調べるシングルセル解析が可能になりつつあり、純粋培養した同一種の集団内でも個々の細胞の遺伝子発現が不均一であることや、同じ環境に生息する同一種でも細胞ごとに遺伝的なバリエーションが存在することが報告されてきています。難培養微生物研究の基盤となる技術は、さまざまな微生物生態系や多様な微生物に適用され、系全体を対象とするメタ解析や大規模なゲノム情報の解析のみならず、生態系を構成する個々の微生物の機能や役割をも複合的に理解する研究が進展して、まさに環境中の微生物の生き様を解き明かすことに役立っています。これにより、微生物群集における微生物間の相互作用や宿主との関係を解明する共生、非生物である環境との相互作用と環境への影響、地球温暖化やエネルギー・環境保全・食糧といったわれわれ人類が抱える課題の解決をめざした研究などに目覚ましい成果が次々と報告されています。難培養微生物を、培養を介さずに研究するという視点だけでなく、培養できる微生物やモデル微生物を用いた研究による新しい知見や詳細な機構に基づいて自然界の微生物の生態・生き様を理解するという方法論も研究の進展に重要な原動力になっています。前回の発刊から5年が経過し、「難培養微生物研究の最新技術」の書名は残しつつも、難培養にとらわれることなく微生物が関連する生態、共生、環境についての研究と課題解決のためのアプローチについて、進展著しいこれらの研究分野において最先端でご活躍の先生に研究成果や今後の展望をご紹介いただきたく本書を企画いたしました。

大熊盛也、野田悟子  
(本書「はじめに」より)

著者一覧

大熊盛也  理化学研究所
野田悟子  山梨大学
大島健志朗  東京大学
須田亙  慶應義塾大学
服部正平  早稲田大学
森宙史  東京工業大学
東光一  東京工業大学
山田拓司  東京工業大学
黒川顕  東京工業大学
関口勇地  産業技術総合研究所
Dieter M. Tourlousse  産業技術総合研究所
雪真弘  理化学研究所
石井俊一  海洋研究開発機構
久我ゆかり  広島大学
大野博司  理化学研究所
坂本光央  理化学研究所
中鉢淳  豊橋技術科学大学
伊藤英臣  産業技術総合研究所
菊池義智  産業技術総合研究所
遠藤力也  理化学研究所
太田寛行  茨城大学
佐藤嘉則  国立文化財機構
西澤智康  茨城大学
浅井秀太  理化学研究所
白須賢  理化学研究所
井口博之  京都学園大学
由里本博也  京都大学
阪井康能  京都大学
中川聡  京都大学
加藤創一郎  産業技術総合研究所
加藤真悟  University of Delaware
飯野隆夫  理化学研究所
天知誠吾  千葉大学
山村茂樹  国立環境研究所
吉田奈央子  名古屋工業大学
新谷政己  静岡大学
按田瑞恵  東北大学
南澤究  東北大学
木暮一啓  東京大学
眞弓大介  産業技術総合研究所
鎌形洋一  産業技術総合研究所
木村浩之  静岡大学
鈴木志野  海洋研究開発機構

目次

【第1編 基盤技術・情報の進展】

第1章 微生物ゲノム研究の動向 
1 はじめに―次世代シークエンサーの進歩
2 個別ゲノム解析
3 パンゲノム解析
4 メタゲノム解析
5 シングルセル解析
6 おわりに

第2章 微生物統合データベースによる微生物と環境の研究への貢献 
1 微生物群集研究におけるメタ16S・メタゲノム解析の重要性
2 公共のメタ16S・メタゲノムデータの問題点
3 微生物統合DB: MicrobeDB.jpの概要
3.1 さまざまな情報を統合する上でのSemantic Web技術の有用性
3.2 オントロジーを用いたメタデータの統一的な記述
3.3 メタ16S・メタゲノムデータの統一的なプロトコルを用いた解析
3.4 知識発見を可能とする各種解析Stanza
4 微生物統合DBの今後と微生物群集研究の将来

第3章 メタゲノム情報からの難培養微生物ポピュレーションゲノムの抽出・再構築技術 
1 はじめに
2 難培養微生物のゲノム情報にアクセスする情報生物学技術―ゲノムビニング―
3 Differential coverage binning法
3.1 複数試料からのメタゲノム情報の取得
3.2 メタゲノム情報のco-assembly
3.3 各試料由来のメタゲノムリードをco-assemblyにマッピング
3.4 試料間でのゲノム断片の重複解読率の違い(differential coverage)を主な指標としたゲノム断片のビニング
3.5 得られたポピュレーションゲノムのfinishing
4 ビニングされたゲノムの品質管理
5 Differential coverage binning法の応用例

第4章 シングルセルゲノム解析技術の現状と展望 
1 はじめに
2 微生物1細胞単離方法
2.1 マイクロマニピュレーションによる単離
2.2 マイクロ流路デバイスによる単離
2.3 セルソーターによる単離
3 全ゲノム増幅
3.1 溶菌
3.2 全ゲノム増幅方法
4 シングルセルゲノム増幅産物の選択
5 次世代シーケンサーによるゲノム解析
5.1 次世代シーケンサー用ライブラリー作製
5.2 アセンブル
5.3 ゲノム配列の確認
5.4 ゲノムカバー率
6 シングルセルゲノム解析の実際―シロアリ腸内細菌を例に―
6.1 シロアリ腸内共生系
6.2 実験を始める前の準備
6.3 シングルセルソーティングためのシロアリ腸内細菌の調製
6.4 セルソーターによる1細胞ソーティング
6.5 全ゲノム増幅、シングルセル増幅産物の選択
6.6 原生生物細胞表面共生細菌Candidatus Symbiothrix dinenymphaeのシングルセルゲノム解析
6.7 原生生物細胞内共生細菌Candidatus Treponema intracellularisのシングルセルゲノム解析
7 シングルセルゲノム解析の今後

第5章 難培養微生物の機能解析研究の進展 
1 はじめに
2 発現遺伝子を解析する
2.1 遺伝子の発現量を調べる
2.2 発現遺伝子の網羅的解析
3 利用できる基質から機能に迫る
3.1 安定同位体プロービング(SIP)法
3.2 二次イオン質量分析法
3.3 microautoradiography法
4 まとめ

第6章 メタオミクス解析による微生物群集代謝ネットワーク解析 
1 はじめに
2 微生物群集内の代謝ネットワーク構築
2.1 酢酸によるBiostimulationサイト
2.2 バイオリアクター(テレフタル酸分解メタン発酵槽)
3 刺激応答性転写解析による代謝ネットワーク構築
3.1 電気産生微生物群集の刺激応答性転写解析
3.2 電気産生微生物群集の代謝ネットワークの構築
4 今後の展望

第7章 二次イオン質量分析法による同位体の高分解能イメージング解析―微生物学研究での利用― 
1 はじめに
2 共生微生物学研究における安定同位体トレーサー局所解析
2.1 菌根共生における炭素および窒素の輸送解析
2.2 海洋生物学における共生解析
3 環境試料におけるin situ微生物同定と機能解析
4 おわりに


【第2編 共生微生物の機能と応用】

第8章 腸内細菌が産生する短鎖脂肪酸と宿主免疫・生体防御 
1 はじめに
2 短鎖脂肪酸
3 酢酸によるマウスの腸管出血性大腸菌O157感染死予防
4 酪酸によるマウス大腸制御性T細胞の分化促進
5 酪酸によるエピゲノム修飾を介した大腸マクロファージの機能制御
6 短鎖脂肪酸をリガンドとして認識するGタンパク質共役受容体による免疫制御
7 おわりに

第9章 口腔内環境と微生物 
1 はじめに
2 口腔内の微生物群集構造解析
3 難培養微生物の資源化
4 おわりに

第10章 農業害虫の生存を支えるオルガネラ様共生細菌
1 はじめに
2 半翅目昆虫の菌細胞内共生系
2.1 変化し続ける菌細胞内共生系
2.2 腹吻亜目の菌細胞内共生細菌
2.3 頸吻亜目の菌細胞内共生細菌
2.4 鞘吻亜目の菌細胞内共生細菌
2.5 異翅亜目の菌細胞内共生細菌
3 菌細胞内共生系と遺伝子水平転移
3.1 菌細胞内必須共生細菌のゲノムは縮小している
3.2 アブラムシは、細菌から遺伝子を獲得し、菌細胞で転写している
3.3 動物界の新規オルガネラ進化?
3.4 細菌から獲得された遺伝子群は、吸汁性農業害虫の菌細胞内共生系を支える
4 初めて見つかった「オルガネラ様防衛共生体」
5 おわりに

第11章 昆虫に新機能を賦与する微生物 
1 昆虫と共生微生物
2 昆虫共生微生物は難培養微生物
3 ホソヘリカメムシの腸内共生系―「昆虫共生微生物=難培養微生物」の固定観念を打ち破る内部共生研究の新たなモデル系―
4 共生微生物が宿主昆虫に賦与する新機能:殺虫剤抵抗性
5 カメムシは土壌中のわずかな分解菌を選択的に獲得する
6 おわりに

第12章 昆虫と酵母の共生 
1 はじめに
2 難培養性の酵母
2.1 Coccidiascus legari
2.2 Helicogonium属菌およびPhialoascus borealis
2.3 Pneumocystis属菌
3 酵母のハビタットとしての昆虫
3.1 昆虫のマイセトームに含まれる酵母
3.1.1 Symbiotaphrina属菌
3.1.2 Candida rhagii、Scheffersomyces shehatae
3.2 昆虫の脂肪体に含まれる酵母
3.3 甲虫に随伴する酵母
4 スクリーニング用微生物資源としての酵母
4.1 バイオエタノール産生
4.2 バイオディーゼル産生
5 今後の課題・展望
5.1 NGSデータと微生物研究
5.2 昆虫に随伴する酵母研究の加速
5.3 公的菌株保存機関の役割

第13章 糸状菌の細胞に内生する細菌 
1 はじめに
2 内生細菌の検出方法
2.1 糸状菌の分離と純化
2.2 エンドトキシン定量による内生細菌の検出
2.3 蛍光顕微鏡および透過電子顕微鏡による内生細菌の観察
2.4 PCR法による内生細菌の検出
3 糸状菌に内生する細菌の系統
4 内生細菌Burkholderia rhizoxinicaと植物病原性
5 土壌における糸状菌と内生細菌:Mycophilus cysteinexigensをめぐって
5.1 糸状菌M. elongataの内生細菌の発見
5.2 糸状菌-細菌共生系の機能を探る
6 おわりに

第14章 植物と病原微生物の相互作用と作物保護 
1 はじめに
2 病原微生物由来分子パターン誘導免疫(PAMP-triggered immunity、PTI)
3 エフェクター誘導免疫(effector-triggered immunity、ETI)
4 病原微生物エフェクター
5 作物保護に向けて

第15章 C1微生物と植物の共生 
1 はじめに
2 C1微生物とは
3 C1微生物の培養と単離
4 分子マーカーを用いたC1微生物の検出
5 植物上に生息するメタノール資化性細菌
6 植物上に生息するメタン酸化細菌
7 おわりに

第16章 深海生物の微生物共生 
1 はじめに
2 深海微生物の有用機能
3 地球を食べる生態系とは
4 深海底熱水活動域に生息する大型生物と共生微生物
5 Epsilonproteobacteriaの共生系
6 Gammaproteobacteriaの共生系
7 おわりに

第17章 微生物間の電子移動に基づく共生 
1 はじめに
2 栄養共生:電子移動に基づく微生物間共生
3 低分子化合物の拡散輸送に基づく栄養共生
4 直接接触による物質授受に基づく栄養共生
5 導電体を流れる電流に基づく栄養共生
6 おわりに


【第3編 微生物と環境の研究】

第18章 鉄酸化細菌研究の現状と展望 
1 はじめに
2 鉄酸化細菌の多様性
3 鉄酸化細菌の生理生態
3.1 性状
3.2 細胞外構造体
3.3 鉄酸化細菌のゲノム
3.4 鉄酸化細菌の分布
3.5 鉄酸化細菌の培養方法
4 今後の展望

第19章 微生物腐食:微生物による金属腐食 
1 はじめに
2 微生物腐食の発生機構
2.1 カソード復極説
2.2 バイオフィルムによる酸素濃淡電池の形成
2.3 微生物による酸生成
3 代表的な金属腐食微生物
3.1 硫酸塩還元細菌
3.2 メタン生成アーキア(メタン菌)
3.3 鉄酸化細菌
3.4 その他の細菌
4 微生物腐食の分析方法
4.1 鉄腐食試験
4.2 溶出鉄イオンの定量法
4.3 電気化学測定法
4.4 顕微鏡観察
4.5 X線解析・元素分析
5 おわりに

第20章 微生物の細胞外電子伝達と汚染浄化 
1 金属類による土壌汚染
2 金属類のバイオレメディエーション
3 ヒ素による環境汚染
4 微生物によるヒ素還元
5 ヒ素の還元は細胞外電子伝達か?
6 DARBのヒ素代謝オペロン
7 DARBによるヒ素のバイオリーチング
8 おわりに


第21章 有機塩素化合物の還元的脱ハロゲン呼吸細菌の研究と浄化利用の動向 
1 はじめに
2 脱ハロゲン化呼吸細菌とは
2.1 脱ハロゲン化呼吸
2.2 脱ハロゲン化呼吸細菌の系統学的分布
2.3 脱ハロゲン化酵素の遺伝子群の構造と系統学的多様性
3 脱ハロゲン化呼吸細菌の培養、細胞内分子機構研究および解析技術の動向
3.1 脱ハロゲン化呼吸細菌の集積および分離方法
3.2 脱ハロゲン化呼吸細菌の機構解析研究の動向
4 脱ハロゲン化呼吸細菌を用いた有機ハロゲン汚染浄化の現状と課題
5 おわりに

第22章 環境中における可動性遺伝因子の動態解析
1 はじめに
2 可動性遺伝因子とは
3 可動性遺伝因子の検出と探索
4 環境中における可動性遺伝因子の動態解析
5 おわりに

第23章 植物に生息する環境応答微生物の特定と分離 
1 はじめに
2 水稲根の細菌群集構造変化
3 イネの共生遺伝子と窒素固定
4 水稲根マイクロビオームの生態学と鍵微生物の分離
5 ダイズの根粒着生変異体の微生物群集構造解析
6 ダイズの根粒着生変異に応答する微生物の分離
7 ダイズ根粒着生変異に応答する微生物の分離の“現場”
7.1 鍵微生物の情報収集:Aureimonas属細菌は分離培養可能か?
7.2 鍵微生物の取得:基準株か環境分離株か?
7.3 培養条件の選択
8 おわりに

第24章 海洋細菌の新しい光エネルギー利用機構:ロドプシン 
1 はじめに
2 エネルギー形成機構とは?
3 ロドプシンとは?
4 プロテオロドプシンの発見
5 PRを保持する培養株への光の影響
6 培養株での知見―発現解析とH+の排出速度の実測
7 Na+およびCl-を輸送するロドプシンの発見
8 おわりに

第25章 二酸化炭素地中貯留と地下微生物生態系への影響 
1 二酸化炭素地中貯留とは
2 枯渇油田と地下微生物
3 油層微生物生態系へのGCSの影響
3.1 CO2-EORと生物的原油増進回収技術
3.2 深部地下微生物生態系の調査法
3.3 地下微生物代謝経路の評価法
3.4 熱力学に基づく微生物反応の評価法
3.5 GCSと生物的原油増進回収技術の両立による技術展望
4 GCSの微生物影響評価に関する近年の研究
5 おわりに

第26章 地下圏微生物によるメタン生成と分散型エネルギー生産技術への応用 
1 はじめに
2 西南日本に広く分布する付加体
3 付加体の深部地下圏におけるメタン生成メカニズム
4 付加体の深部帯水層にて生成されるメタンを利用した発電システム
5 嫌気性地下水に含まれる微生物群集を利用したエネルギー生産システム
6 将来展望

第27章 蛇紋岩水系地下生命圏に生息する微生物群の生態系 
1 蛇紋岩化作用と生命の起源
2 蛇紋岩水系The Cedarsの地質学的、化学的特性
3 微生物にとってチャレンジングな環境
4 蛇紋岩化水系における微生物のBiogeography
5 環境微生物解析手法
6 Serpentinomonas属菌の培養による蛇紋岩水系微生物の理解
7 蛇紋岩水系のメタゲノミクス
8 おわりに

※本書の89ページ・表2中に誤りがございました。お詫びして訂正いたします。
(誤)コナジラミ → (正)コナカイガラムシ
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