株式会社コーセー(本社:東京都中央区、代表取締役社長:小林 一俊)は、国立研究開発法人 産業技術総合研究所、近畿大学、北里大学との共同研究により、たった1つのサンゴポリプからサンゴの代謝物解析(メタボローム解析)をする技術を確立しました。これにより日やけ止め成分などがサンゴの成育に与える影響を生化学的な面から評価することが可能となります。今後、この技術を応用して、サンゴにやさしい日やけ止め開発を推進していきます。
ポイント
・小さなサンゴポリプ1個での内因性代謝プロファイルの取得を実現
・化学物質がサンゴの内因性代謝に及ぼす影響を迅速かつ簡便に評価可能に
・サンゴに悪影響を及ぼさない日焼け止めの新たな開発へ応用
サンゴの一斉産卵時にポリプを育成し、新規評価手法に供するフロー図。(作成者:名古屋大学 髙橋一誠 氏)
概 要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下「産総研」という)地質情報研究部門 井口 亮 主任研究員、鈴木淳 研究グループ長、地圏資源環境研究部門 飯島 真理子 研究員、近畿大学生物理工学部 財津 桂 教授(産総研外来研究員)、北里大学海洋生命科学部 安元 剛 講師、大野 良和 特任助教、水澤 奈々美 博士研究員、株式会社コーセー 研究所 菅 駿一 研究員、田中 健 研究員らは共同で、地球的規模および地域的規模の環境変化のために減少が危惧されている造礁サンゴ類(以下、サンゴ)への迅速な環境影響評価を可能にする新規の評価手法を確立しました。そして日焼け止めの成分などの化学物質がサンゴに及ぼす影響を代謝プロファイルから明らかにし、サンゴに対する新たな環境影響的知見を得ることに成功しました。本研究によって得られた成果は、サンゴなどの海洋生物を用いた環境影響評価方法の重要なモデルとして活用されることが期待されます。
なお、この成果は、令和6年3月5日(現地時間)に英国のNature Publishing Groupのオープンアクセス誌「Scientific Reports」に掲載されました。
※赤字は【用語解説】参照
研究の社会的背景
現在、人為的な化学物質の自然界への流出や栄養塩循環の崩壊による生態系への悪影響が非常に懸念されています。地球の限界を示すプラネタリーバウンダリーの観点では、九つの境界のうち、化学物質の流出と栄養塩循環の崩壊を含む六つの境界は既に越境しており(Richardson et al., 2023)、マイクロプラスチックを始め、海洋における化学物質の規制への取り組みの意識が高まっています。また、企業の環境(Environment)・社会(Social)・ガバナンス(Governance)に対する取り組みを評価して行うESG投資に注目が集まっています。ESG投資をさらに加速させるTNFD(自然関連財務情報開示タスクフォース)の最終提言が2023年9月に発表されるなど、自然環境に配慮した企業活動が強く求められ、ネイチャーポジティブの実現に向けた取り組みの重要性が高まっています。こうした背景から、化学物質が海洋生物にどのような影響を及ぼすのかを明らかにするための評価手法のニーズが高まっています。美しい景観で知られるサンゴ礁生態系(図1)は、沿岸保護、漁業、観光などさまざまな分野で重要な役割を担っています。しかし、その基盤を支えるサンゴが地球的規模や地域的規模の環境変化に鋭敏であるため、世界的に減少が危惧されています。サンゴが海洋生態系を代表する象徴的な存在であるため、サンゴに対する信頼性の高い環境影響評価手法の確立は急務となっています。特に近年、一部の日焼け止め成分がサンゴに悪影響を及ぼすとの報告がなされており、日焼け止め成分がサンゴに与える影響を迅速かつ簡便に評価する手法の確立が求められています。
図1.沖縄県瀬底島近傍で撮影したサンゴ礁生態系
研究の経緯
産総研は、海洋生物の環境変化に対する応答を明らかにし、信頼性の高い環境影響評価手法を構築することを目指しています。そしてサンゴなどを対象に、飼育実験・遺伝子解析・化学分析を組み合わせた多角的なアプローチを用いた研究を実施してきました(2017年1月19日、2021年3月17日、2023年11月30日、2024年2月1日 産総研プレス発表)。また、これまで主に医学分野において代謝物解析(メタボローム解析)の新たなプラットフォームとして活用されてきた質量分析装置:PESI/MS/MSを用いたメタボローム解析による異分野融合研究も展開してきました(2020年5月25日、2021年6月30日産総研プレス発表)。
なお、本研究は日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)「サンゴエクスポソーム研究への挑戦」(代表研究者:井口 亮;2019〜2020年度)の支援を受けて実施しました。
研究の内容
サンゴの代表的グループであるミドリイシ属サンゴの一斉産卵時(図2と2023年3月5日 産総研X動画)に得られたサンゴ幼生を着底させ、人為的に共生褐虫藻を添加することで、褐虫藻有無の条件に分けたサンゴポリプを育成しました。研究グループのさまざまな工夫により、産卵の機会を複数回確保したり、また得られた幼生を比較的長く維持したりすることで、実験の機会を増やすことに成功しています。
図2.ミドリイシ属サンゴの一斉産卵の様子
育成したサンゴポリプを用いて、日焼け止め成分の一つであるオキシベンゾン-3と、サンゴ-褐虫藻共生体の環境感受性に影響を及ぼす栄養塩(アンモニウムと硝酸塩)暴露サンプルを用意しました。しかし、サンゴポリプの直径はわずか2 mm程度と非常に小さく、従来のメタボローム解析を適用する場合には、試料量を確保するために複数のサンゴポリプを混合し、抽出操作などの前処理を行う必要がありました。この場合、大量のサンゴポリプを育成する必要があることに加え、得られた結果も平均化されてしまうという欠点を有していました。そこで本研究では、微細試料の分析が可能なPESI/MS/MSを用いた新たな代謝解析プラットフォーム:PiTMaP(Zaitsu, Iguchi et al., 2020)をサンゴポリプに適用しました(動画1)。その結果、たった一つのサンゴポリプから代謝プロファイルを取得できることを新たに見いだしました。
動画1.PESI/MS/MSを用いて一つのサンゴポリプを直接分析する様子
URL:https://www.youtube.com/watch?v=h7RQHPr7Hfw
YouTubeからご覧いただけます。
※原論文の図を引用・改変したものを使用しています。クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)
特に、本研究ではサンゴポリプ一つごとに解糖系、クエン酸回路、尿素回路、ペントースリン酸経路、グルタチオン代謝、メチオニン経路を構成する代謝物を観察することに成功しました。得られたメタボロームデータはPiTMaPプラットフォームを応用することで、多変量解析も自動的に実行されます。多変量解析の一つである潜在構造投影判別分析(Projections to latent structures-discriminant analysis, PLS-DA)を適用した結果、褐虫藻のないサンゴポリプでは、オキシベンゾン-3によっていくつかのアミノ酸の減少など、顕著な代謝プロファイルの変化が見られました(図3上)。その一方で、褐虫藻を持ったサンゴポリプでは、オキシベンゾン-3暴露による代謝プロファイルの変化は見られませんでした(図3下)。同様の傾向は、アンモニウム暴露サンプルでも確認されました。これは、共生褐虫藻が暴露物質によるサンゴ本体への悪影響を除去している可能性を示しています。
今回確立した評価手法は、従来のメタボローム解析で必要であった煩雑な前処理操作が一切不要です。一般にメタボローム解析の前処理操作には1日から2日程度の時間を要していましたが、今回の手法を用いると、わずか3分程度でたった一つのサンゴポリプから内因性代謝物を解析することが可能となりました。
図3.オキシベンゾン-3暴露サンプルを用いたPLS-DAスコアプロット。横軸は第一主成分、縦軸は第二主成分を示す。上図は褐虫藻を持たないサンゴポリプ、下図は褐虫藻を持つサンゴポリプの結果を示す。各点は1サンゴポリプに相当する。破線、点線はそれぞれ全データの95%、99%信頼区間を示す。赤色および水色の楕円は各群の95%信頼区間を示す。
※原論文の図を引用・改変したものを使用しています。クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)
今後の予定
今回確立された新たな評価手法は、ニーズが高まっているサンゴの環境影響評価に広く活用されることが期待されます。人為起源物質の影響軽減に向けた代替物質探索のための迅速な手法としても活用可能です。また、化学物質などのリスク評価だけでなく、成長増加・代謝促進のようなポジティブな影響評価に活用されることも期待されます。産総研では、今後他の研究機関とも協力して、今回の手法をサンゴ以外の海洋生物にも適用していくことも検討していきます。共同研究先のひとつである株式会社コーセーは、サンゴ養殖の専門家と共同で日焼け止めやその成分がサンゴの成育に与える影響の外観評価などを行ってきており(2022年2月7日、2022年4月13日 株式会社コーセーニュースリリース)、今回の評価手法も活用することで、今後も海の環境に配慮した製品開発に取り組んでいきます。
論文情報
掲載誌:Scientific Reports
論文タイトル:Single-polyp metabolomics for coral health assessment
著者:Akira Iguchi, Mariko Iijima, Nanami Mizusawa, Yoshikazu Ohno, Ko Yasumoto, Atsushi Suzuki, Shunichi Suga, Ken Tanaka, Kei Zaitsu.
DOI:10.1038/s41598-024-53294-8
参考文献
Richardson, K. et al. (2023). Earth beyond six of nine planetary boundaries. Science Advances, 9(37), eadh2458.
用語解説
プラネタリーバウンダリー
人類が地球上で持続的に生存していくために超えてはならない地球環境の境界を示す概念。
ネイチャーポジティブ
社会・経済活動による自然生態系の損失を食い止めて、回復させていくことを目指す概念。
メタボローム解析
代謝産物(メタボライト)の総体であるメタボロームの増減を、網羅的に解析する手法。
PESI/MS/MS
探針エレクトロスプレーイオン化タンデム質量分析(Probe electrospray ionization tandem mass spectrometry)のこと。先端直径700 nmの微細な金属製針を用いて試料を穿刺(せんし)し、針表面に吸着した生体内成分をイオン化して分析する手法。
代謝解析プラットフォーム:PiTMaP
2020年に井口主任研究員と財津教授が共同で開発した代謝解析の新たなプラットフォームのこと。上述のPESI/MS/MSを用いたメタボローム解析と統計解析言語Rによるバイオインフォマティクスの自動実行処理機能を組み合わせることで、極めて迅速なメタボローム解析を実装した。
潜在構造投影判別分析(Projections to latent structures-discriminant analysis, PLS-DA)
多変量解析法の一つで、多変量データ(多次元データ)について群情報を与えた上で低次元化し、データの傾向やプロファイルを把握する手法。
株式会社KOSE(总部:东京都中央区;总裁:Kazutoshi Kobayashi)通过与国立先进工业科学技术研究所、近畿大学和北里大学的联合研究,建立了一种仅从一个珊瑚息肉中分析珊瑚代谢物(代谢组分析)的技术。这使得从生化角度评估防晒成分等对珊瑚生长影响成为可能。将来,我们将应用这项技术来促进对珊瑚温和的防晒霜的开发。
点
・使用单个小珊瑚息肉实现内源性代谢特征的获取
・现在可以快速、轻松地评估化学物质对珊瑚内源性代谢的影响
・应用于新开发的不会对珊瑚造成不利影响的防晒霜
珊瑚同步产卵过程中培育息肉并将其应用于新的评估方法的流程图。(作者:名古屋大学高桥一成先生)
概述
国立先进工业科学与技术研究所(以下简称 “AIST”)地质信息研究部首席研究员井口淳研究组组长,饭岛丸子研究部研究员,近畿大学生物科学工程系嘉津教授(AIST客座研究员),北里大学海洋生命科学系讲师康本刚志,特别任命的助理教授小野义和,高濑研究所水泽奈奈美博士研究员株式会社我们共同成立了一个新的一种评估方法,可以对造礁珊瑚(以下简称珊瑚)进行快速的环境影响评估,由于全球和区域范围的环境变化,恐怕珊瑚会减少。此外,我们还从代谢谱中阐明了防晒成分等化学物质对珊瑚的影响,并成功地获得了对珊瑚的新环境影响知识。通过这项研究获得的结果有望用作使用珊瑚等海洋生物的环境影响评估方法的重要模型。
请注意,这些结果于Reiwa 6/3/5(当地时间)发表在英国自然出版集团的开放获取杂志《科学报告》上。
*有关红色文本,请参见 [词汇表]
研究的社会背景
当前,人们非常担心人为化学物质流入自然界和营养循环中断会对生态系统造成的不利影响。从表明地球极限的行星边界的角度来看,九个边界中有六个,包括化学物质的流出和营养循环的崩溃,已经越过了边界(Richardson等人,2023年),人们对监管海洋中化学物质的努力的认识正在提高,首先是微塑料。此外,通过评估企业环境(环境)、社会(社会)和治理(治理)举措进行的ESG投资也受到关注。TNFD(与自然相关的财务信息披露工作组)于2023/9年公布了进一步加快ESG投资的最终建议,并且强烈要求企业开展考虑到自然环境的活动,并且旨在实现自然积极性的努力的重要性也越来越高。在这种背景下,越来越需要评估方法来阐明化学物质如何影响海洋生物。珊瑚礁生态系统(图 1)以其美丽的风景而闻名,在海岸保护、捕鱼和旅游等各个领域发挥着重要作用。但是,由于支撑这一基础的珊瑚对全球和区域范围的环境变化很敏感,因此人们担心全球会衰退。由于珊瑚是代表海洋生态系统的象征,因此迫切需要为珊瑚建立可靠的环境影响评估方法。特别是,近年来,有报道称一些防晒成分对珊瑚有不利影响,需要建立一种方法来快速轻松地评估防晒成分对珊瑚的影响。
图 1:在冲绳濑底岛附近拍摄的珊瑚礁生态系统
研究背景
AIST旨在阐明海洋生物对环境变化的反应,并构建高度可靠的环境影响评估方法。此外,还使用结合育种实验、遗传分析和化学分析的多方面方法对珊瑚等进行了研究(2017/1/19、2021/3/17、2023/11/30、2024/2/1、2024/2/1、2024/2/1、2024/2/1新闻发布会)。此外,还开发了使用质谱仪器进行代谢组分析的跨学科研究:PESI/MS/MS,到目前为止,它主要作为代谢物分析(代谢组分析)的新平台用于医学领域(代谢组分析)。
此外,这项研究是在日本科学促进会资助项目挑战性研究(发芽)“珊瑚暴露组研究面临的挑战”(代表研究员:井口亮;2019-2020)的支持下进行的。
研究内容
裸藻属珊瑚是代表性的珊瑚群(图 2 和 2023/3/5 AIST X 视频)同时产卵过程中获得的珊瑚幼虫已触底,通过人工添加共生虫黄藻,培育了分为虫黄藻存在或不存在条件的珊瑚息肉。得益于该研究小组的各种独创性,我们通过确保多次产卵的机会并在相对较长的时间内维持所获得的幼虫,成功地增加了实验机会。
图 2:裸藻珊瑚的同步产卵
使用生长的珊瑚息肉,我们制备了暴露于防晒成分之一的氧苯酮-3以及影响珊瑚虫虫共生体环境敏感性的营养素(铵和硝酸盐)的样本。但是,珊瑚息肉的直径非常小,只有大约 2 mm,当应用传统的代谢组分析时,必须混合多个珊瑚息肉并进行诸如提取操作之类的预处理,以确保样本量。在这种情况下,除了需要种植大量的珊瑚息肉外,还存在一个缺点,即所获得的结果也要平均化。因此,在这项研究中,一种能够分析精细样本的使用PESI/MS/MS的新代谢分析平台:PitMap(Zaitsu,Iguchi等人,2020年)应用于珊瑚息肉(视频1)。结果,我们新发现仅从一个珊瑚息肉中就能获得代谢特征。
视频 1:使用 PESI/MS/MS 直接分析单个珊瑚息肉
网址:https://www.youtube.com/watch?v=h7RQHPr7Hfw
你可以在 YouTube 上观看。
*原始报纸中的数字经过引用和修改。知识共享许可(显示 4.0 国际版)
特别是,在这项研究中,我们成功地观察了构成每种珊瑚息肉的糖酵解、柠檬酸循环、尿素循环、戊糖磷酸通路、谷胱甘肽代谢和蛋氨酸途径的代谢物。通过将PitMap平台应用于获得的代谢组数据,还可以自动执行多变量分析。通过应用潜在结构投影判别分析(PLS-DA)(一种多变量分析),观察到不含虫黄素的珊瑚息肉的代谢特征发生了显著变化,例如氧苯酮-3导致几种氨基酸减少(上图3)。同时,在携带虫黄藻的珊瑚息肉中,未发现因接触氧苯酮-3而导致的代谢状况发生变化(见下图3)。在氨暴露样本中也证实了类似的趋势。这表明共生虫黄藻可以消除暴露物质对珊瑚体的不利影响。
这次建立的评估方法不需要常规代谢组分析所需的任何复杂的预处理操作。通常,代谢组分析的预处理操作大约需要1到2天,但是使用这种方法,现在可以在大约3分钟内分析来自一个珊瑚息肉的内源性代谢物。
图 3.使用 oxybenzone-3 暴露样本绘制的 PLS-DA 分数图。水平轴表示第一个主成分,垂直轴表示第二个主成分。上图显示了不含虫黄藻的珊瑚息肉的结果,下图显示了含虫黄素的珊瑚息肉的结果。每个点相当于 1 个珊瑚息肉。虚线和虚线分别表示所有数据的 95% 和 99% 的置信区间。红色和浅蓝色省略号表示每个组的 95% 置信区间。
*原始报纸中的数字经过引用和修改。知识共享许可(显示 4.0 国际版)
未来的计划
这次建立的新评估方法有望广泛用于需求不断增长的珊瑚的环境影响评估。它也可以用作寻找替代物质以减少人为物质影响的快速方法。此外,预计它不仅将用于化学物质的风险评估等,还将用于积极影响评估,例如促进生长和促进新陈代谢。AIST将来将与其他研究机构合作,考虑将这种方法应用于珊瑚以外的海洋生物。KOSE Co., Ltd. 是联合研究伙伴之一,一直在与珊瑚水产养殖专家合作,对防晒霜及其成分对珊瑚生长的影响进行视觉评估(2022/2/7,2022/4/13 KOSE新闻稿),通过使用这种评估方法,我们将继续进行考虑到海洋环境的产品开发。
论文信息
发表于:科学报告
论文题目:用于珊瑚健康评估的单息肉代谢组学
作者:井口明、饭岛真理子、水泽七海、大野义和、康本子、铃木淳志、须贺俊一、田中健、财津圭。
DOI:10.1038/s41598-024-53294-8
参考书目
理查森,K. 等人(2023)。地球超过九个行星边界中的六个。《科学进展》,9(37),eadh2458。
术语解释
行星边界
这个概念显示了人类在地球上可持续生存必须跨越的全球环境边界。
自然乐观
该概念旨在阻止和恢复因社会和经济活动而造成的自然生态系统损失。
代谢组分析
一种综合分析代谢组增加或减少的方法,代谢组是代谢物(代谢物)的总和。
PESI/MS/MS
探针电喷雾电离串联质谱法(探针电喷雾电离串联质谱法)。一种使用尖端直径为 700 nm 的细金属针刺孔(扫描)样品的方法,并对吸附在针头表面进行电离的生物成分进行分析。
代谢分析平台:PitMap
它是由高级研究员井口和Zaitsu教授在2020年共同开发的新代谢分析平台。通过将上述 PESI/MS/MS 的代谢组分析与使用统计分析语言 R 的自动生物信息学执行处理功能相结合,实现了极其快速的代谢组分析。
潜在结构投影判别分析 (pls-da)
它是多变量分析方法之一,它是一种通过提供有关多变量数据(多维数据)的群组信息,减小维度来掌握数据趋势和概况的方法。