真核生物に最も近い古細菌、JAMSTECが初めて培養　核はなく酸素も苦手

地球上のあらゆる動物、植物、菌類にとって最も近い現生の親戚が、今、日本の実験室で培養されている。その姿は、多くの生物学者が想像してきた祖先像とはまったく異なる。海洋研究開発機構（JAMSTEC）のチームは、複雑な細胞が誕生したと考えられている単細胞古細菌の一群、ハイムダル古細菌（Heimdallarchaeia）の初めての純粋培養に成功した。細胞の内部は質素そのものだ。核はなく、内部の区画もなく、私たちの細胞を特徴づける細胞小器官に似たものは何もない。

驚きは外側にある。それぞれの細胞は長く枝分かれした腕を伸ばし、それがなければ生きていけないパートナー微生物を捕まえる。そして、酸素を処理する遺伝子を持っているにもかかわらず、酸素にさらされると細胞は弱ってしまう。これらの特徴は、私たちの最も根源的な単細胞の祖先が、やがて複雑な細胞へと進化する前の姿を、酸素を嫌い、パートナーとの共生に依存する、ゆっくりと成長する微生物として描き出している。

この発見は、生物学上の最古の疑問のひとつに取り組むものだ。すなわち、核を持たない単純な細胞が、どのようにして人間の体を構成するような精巧な真核細胞へと変わったのか、という問いである。有力な答えは、ある古細菌の細胞がバクテリアと密接な共生関係を築き、そのバクテリアがやがて細胞内に取り込まれ、細胞の動力源であるミトコンドリアになったというものだ。どの古細菌の系統が宿主となったのか、そしてそれがどのような性質だったのかは、長年にわたり、主に泥や海水から採取されたDNAの断片から議論されてきた。

ハイムダル古細菌は、その議論の中心に位置する。彼らはプロメテアーキオータ門（Promethearchaeota）、旧称アスガルド古細菌（Asgard archaea）に属し、遺伝子の系統樹では真核生物に最も近い古細菌の枝とされている。これまで、生きた状態のものを間近で観察した者は誰もいなかったため、彼らがすでに複雑な内部構造を持っていたり、私たちのように酸素を呼吸できたりするという仮説は、ゲノムの解読結果だけに基づいていた。

どのようにして培養したのか

この微生物は、珍しい場所から採取された。東京の東、千葉県の房総半島にある天然ガス井戸の内部を覆うバイオフィルムである。そこでは塩分を含んだメタン豊富な地下水が湧き出し、小さな間欠泉のように定期的に噴出するため、その膜は定期的に空気にさらされている。チームは、真核生物の親戚で、酸素との関わりのあるものを捕まえようと、意図的にこの場所を選んだ。

培養には3年を要した。研究者たちは、カザミノ酸、ペプトン、粉ミルクなどのタンパク質を豊富に含む餌を微量ずつ与え、抗生物質を何度も使って競合するバクテリアを殺し、生き残ったものを新しい培地に繰り返し移植した。その結果、HC1とSC1という2つの株が得られた。HC1は現在、メタンを生成する単一のパートナー微生物と安定したペアを組んで生きており、SC1はそのようなパートナー2種と3者共存している。

これらは成長が速いわけではない。HC1は倍加に約1週間以上、SC1は2～3週間かかる。大腸菌のような腸内細菌は約20分で倍加する。チームはその後、走査型電子顕微鏡と透過型電子顕微鏡、凍結細胞を3Dで再構築するクライオ電子トモグラフィー、蛍光標識を用いて細胞を観察し、両方のゲノムを解読した。そのゲノムサイズは791万塩基対と675万塩基対だった。

内部は単純、外側は忙しい

数十枚の電子顕微鏡写真のいずれにおいても、どちらの株も真核細胞の特徴である恒久的な内部膜は見られなかった。一部の細胞には、現れたり消えたりする小さな泡のような構造が見られたが、核も小胞体も、細胞生物学者が細胞小器官と呼ぶようなものは何もなかった。細胞は通常の微生物のように2つに分裂する。

しかし、その表面は異なる物語を語っていた。増殖期の後、ほとんどの細胞は、太さ約370ナノメートルの複数の腕を伸ばし、それは枝分かれして膨らみ、その腕はしばしば細胞本体よりも多くの体積を占め、平均で約1.4倍にもなった。腕には、私たちの細胞に形を与えるタンパク質であるアクチンに似た繊維が張り巡らされており、物理的にパートナー微生物に絡みついていた。分裂中の細胞には決してこれらが見られなかった。

この共生関係は必須である。両方の株はタンパク質の断片を分解し、廃棄物として水素を放出するが、この反応は、パートナーが水素を除去し続けなければ停止する。研究者がメタン生成パートナーを阻害剤でブロックすると、古細菌は完全に成長を停止した。

もう一つ、チームの注意を引いた特徴があった。HC1により多くの餌を与えても、分裂速度は上がらなかった。代わりに細胞は大きくなり、より多くの腕を伸ばした。約1万5000個の細胞を広範囲に撮影した画像では、細胞あたりの腕の数が多く、サイズも大きく、細胞あたりのタンパク質量は66フェムトグラムから226フェムトグラムに増加した。典型的なバクテリアや古細菌は、余剰エネルギーを繁殖に注ぐ。著者らは、サイズと繁殖をトレードオフすることは、真核生物が行うことだと指摘している。

酸素の謎

HC1は、末端酸化酵素の遺伝子を持っている。この酵素は動物では、酸素を燃やしてエネルギーを得る呼吸鎖の末端に位置する。一部の研究者は、ハイムダル古細菌のDNAに同様の遺伝子があることを、真核生物の祖先がすでに酸素呼吸をしていた証拠と読んでいた。しかし、培養結果はそれを否定する。微量の酸素、あるいは1%の酸素雰囲気を加えるだけで、HC1の細胞数は約100分の1に減少した。

HC1は助けがあって初めて酸素に耐えることができた。元の集積培養から分離された酸素を消費するバクテリアを培養液に加えると、HC1は低濃度の酸素下でも増殖したが、細胞数は以前より増えることはなかった。また、そのゲノムには、食物から酸素へ電子を送るために必要な機構も欠けていた。チームは、この酸化酵素は、他の偏性嫌気性菌と同様に、酸素を除去する防御機構として機能していると結論づけている。鉄による酸化的損傷を制限するタンパク質であるフェリチンは、HC1で最も高発現している3つのタンパク質の一つだった。

ゲノム全体を対象としたテストも同じ方向を示した。研究者たちは、酸素を必要とする生物と酸素を避ける生物を区別する酵素に基づいて分類器を訓練し、既知の微生物を約95%の精度で正しく分類できることを確認した。この分類器をアスガルド古細菌門全体に適用したところ、酸化酵素遺伝子の有無にかかわらず、このグループは広く嫌気性であることが示された。

これは、Ox-Toxモデルとして知られる考え方と一致する。ミトコンドリアとなったバクテリアは、細胞のエネルギー供給源となるずっと以前に、まずは古細菌の宿主にとって有毒な酸素を吸収することでその地位を獲得した、というモデルである。

この研究で決着しないこと

これらの微生物は、祖先そのものではなく、祖先のいとこにあたる。彼らも私たちと同じくらい長い進化の時間を経ており、ほとんどの推定で約20億年、その間に今日見られる形質は獲得されたり失われたりした可能性がある。チーム自身の分析でも、酸素処理に関わる遺伝子は関連するグループ間で水平移動した可能性が示唆されており、祖先がそれらの遺伝子を持っていたかどうかは依然として不明である。

サンプル数も少ない。この系統の枝から顕微鏡で観察された株は、HC1、SC1、そして別のグループが以前に報告した集積培養のわずか3つだけである。3つすべてに細胞小器官は見られなかったが、これほど多様な系統には、より複雑な内部構造を持つメンバーが含まれている可能性もある。一部の細胞に見られた時折の内部の泡についてはまだ説明がついておらず、著者らはそれを原始的な細胞小器官とも、人為的な産物とも呼んでいない。

実験室の条件も重要である。化学的に固定して画像化すると細胞の形状が変化し、腕は壊れやすい傾向があった。これは、著者ら自身が、保存されたサンプルから形態を読み取ることについて警告している点である。培養は、パートナーとの純粋なペアまたはトリオであり、単一種の培養ではない。なぜなら、これらの古細菌は単独では増殖できないからである。

実験が可能になった系統

JAMSTECのグループは、より広いアスガルド古細菌群の最初のメンバーである深海堆積物由来のMK-D1株を培養し、2020年に報告した。2023年には、ウィーンのチームが、同様の腕を持つ2番目の株、Lokiarchaeum ossiferumを報告した。新しい株は真核生物に最も近い枝に属し、MK-D1よりも成長が速く、細胞も大きいため、研究がはるかに容易である。

チームは両方の株に名前を提案している。HC1にはCandidatus Margulisarchaeum peptidiphilum。属名は、ミトコンドリアが捕獲されたバクテリアに起源を持つという理論を提唱した生物学者リン・マーギュリス（Lynn Margulis）の姓にちなむ。SC1にはCandidatus Flexarchaeum multiprotrusionumである。

複雑な生命の背後にある古細菌に関するよくある質問

アスガルド古細菌とは何ですか？

アスガルド古細菌は、現在は正式にプロメテアーキオータと呼ばれ、環境DNAから最初に特定された単細胞微生物の一群で、北欧神話にちなんで名付けられました。そのゲノムは、かつて真核生物に固有と考えられていた多くの遺伝子を持っており、これが複雑な細胞が誕生した系統と見なされる理由です。

人間は古細菌から進化したのですか？

深い意味では、そうです。有力なモデルによれば、最初の真核細胞は、現在のハイムダル古細菌に関連する古細菌が、ミトコンドリアとなったバクテリアと共生したときに形成されました。すべての動物、植物、菌類は、その融合した細胞の子孫です。

ハイムダル古細菌には核がありますか？

いいえ。培養されたHC1株とSC1株には核も恒久的な内部膜もありません。その複雑さは、パートナー微生物とつながる長く枝分かれした腕という外側にあります。

これらの古細菌は酸素のある環境で生きられますか？

かろうじてです。彼らは嫌気性であり、微量の酸素でその数は約100分の1に減少しますが、ある株は、酸素を食べるバクテリアが培養液を共有している場合、低酸素状態でも生存しました。

この研究は2026年10月28日付でネイチャー誌に掲載され、2025年2月にプレプリントとして最初に公開されました。JAMSTECは、この2つの株が今後、実験モデルとして役立つと述べており、チームは細胞構造やパートナー微生物への結合方法に注目し、外側に腕を持つ古細菌の細胞がどのようにして内部に核を構築するに至ったかを解明しようとしています。

参考文献：Imachi, Nobu et al., “Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

タグ: Asgard archaea, Heimdallarchaeia, JAMSTEC, 古細菌, 真核生物, 細胞生物学