クレナルカエオール

クレナルカエオール

クレナルカエオール（Crenarchaeol）は、特定の古細菌によって合成される特徴的な生物膜脂質、グリセロールジビファンタニルグリセロールテトラエーテル（GDGT）の一種です。この脂質は、他のGDGTには見られないユニークなシクロヘキサン環部分を持ち、細胞膜を貫通する形で66員環構造を形成しています。その独特な構造と特定の生物群との関連性から、特に遠洋性のアンモニア酸化古細菌（AOA）の存在を示す特異的バイオマーカーとして注目されています。

さらに、クレナルカエオールは環境中、特に海洋堆積物中で極めて長期間、数億年もの間安定して保存される性質があります。この耐久性のため、過去の地球環境を復元する研究において重要な役割を果たしており、ジュラ紀中期まで遡る過去の海面温度を推定する「TEX86古水温計」の主要な構成要素となっています。

発見と研究の進展

古細菌の細胞膜は、細菌や真核生物の膜を構成するジアシル脂質とは異なり、イソプレノイドを基盤とするGDGT脂質を含んでいます。当初、これらのGDGT膜脂質は、多くの古細菌が生息する高温や強酸性といった極限環境への適応として、その安定性の高さが重要視されていました。しかし、1997年に沿岸の水中から未知のGDGTが発見されたことは、当時の研究者たちに驚きをもたらしました。これらのGDGTは海底堆積物からも見つかり、さらに海洋アンモニア酸化古細菌であるCenarchaeum symbiosum（海綿と共生する種）からも単離されました。

熱水噴出孔のような極限環境の外でGDGTが見つかったことを受け、その後の研究が進められました。そして2002年、海底堆積物やC. symbiosumの抽出物から、主要なGDGT成分としてクレナルカエオールが初めて同定されました。化合物名は、当時このアンモニア酸化沿岸古細菌が属すると考えられていたクレン古細菌門（Crenarchaeota）に由来しています。しかし、その後の分類学的研究により、これらのMarine Group Iに属するクレン古細菌は、現在ではタウム古細菌門（Thaumarchaeota）という別の門に分類されています。

生産者と生物学的意義

クレナルカエオールは、主にタウム古細菌門（かつてMarine Group 1 クレン古細菌門に分類されていたグループを含む）に属するアンモニア酸化古細菌（AOA）によって生産されると考えられています。海洋性のCenarchaeum symbiosumやNitrosopumilus maritimus、さらにはやや好熱性のNitrososphaera gargensis、超好熱性のCandidatus Nitrosocaldus yellowstoniiといった純粋培養株においても、クレナルカエオールの生産が確認されています。特に、後者のN. gargensisやCa. N. yellowstoniiのような好熱性・超好熱性古細菌からの発見は、クレナルカエオールが中熱性環境に生息するタウム古細菌に固有のものであるという、それ以前の見解に疑問を投げかけることになりました。

クレナルカエオールを含むGDGT類は、疎水性（水を避ける性質）と親水性（水になじむ性質）の領域を併せ持つ膜脂質です。多くの生物の細胞膜が脂質二重層で構成されているのに対し、GDGTは両端に親水性のグリセロール頭部を持つため、細胞膜内に脂質単層を形成するという点で独特です。この単層膜構造は、二重膜よりも分子構造が強固で安定しており、かつては高温や強酸性といった厳しい環境への適応機構と考えられていました。実際、一部の極限環境細菌も、膜を貫通する類似のエーテル結合型脂質を合成することが知られています。また、GDGTの炭化水素鎖に含まれる環の数は、生育温度によって変化することが示されており、環構造も温度適応に関わる可能性が示唆されています。

クレナルカエオールは、片側の炭化水素鎖に2つのシクロペンチル環を、もう一方の鎖に1つのシクロヘキシル環と2つのシクロペンチル環を持っています。しかし、中熱性環境に生息する生物からもクレナルカエオールが発見されたことは、超好熱適応説だけではその機能を完全に説明できないことを示唆しています。クレナルカエオールに特有のシクロヘキシル環は、炭化水素鎖に特定の「ねじれ」を生じさせ、膜脂質の密な充填を妨げると考えられています。この構造的特徴が、高温環境よりもむしろ、穏和な温度下での膜の流動性や機能維持、あるいは遠洋での生活様式への適応に関係している可能性も提唱されています。

論争とバイオマーカーとしての信頼性

クレナルカエオールがタウム古細菌、特にAOAの特異的バイオマーカーであるという考えは広く受け入れられていますが、論争も存在します。南太平洋環流における古細菌群集のメタゲノム解析に基づく研究では、クレナルカエオールがタウム古細菌だけでなく、Marine Group IIに属するユーリ古細菌によっても生産されている可能性が示唆されました。しかし、Marine Group IIに属する古細菌はまだ培養が成功しておらず、環境中での観測データは、依然としてクレナルカエオールが主にタウム古細菌に由来するという仮説を支持する傾向にあります。

アンモニア酸化は、地球上の窒素循環において極めて重要なプロセスです。海洋環境では、AOAがアンモニア酸化の大部分を担っていることが示されており、そのため、クレナルカエオールは海洋におけるAOAの活動や存在量の指標として、あるいは広くアンモニア酸化プロセスのバイオマーカーとして有効であると考えられています。クレナルカエオールの環境中の存在量は、AOAの季節的な増殖パターンと相関することが報告されており、AOAの密度やアンモニア酸化活性の指標として利用できる可能性を示唆しています。しかし、偏性アンモニア酸化菌ではないタウム古細菌の発見や、上述のような他の古細菌群による生産の可能性に関する議論は、クレナルカエオールをバイオマーカーとして解釈する際に慎重さを要することを示しています。

古気候研究への応用（TEX86）

GDGTの炭化水素鎖における環の数の違いが、その生物の生育温度と相関するという性質は、過去の海面温度（SST）を推定するTEX86古水温計の基盤となっています。TEX86指標は、環境サンプル中の様々なGDGT、特にクレナルカエオールとその位置異性体の相対的な存在量に基づいて計算されます。興味深いことに、クレナルカエオールの位置異性体は、放射性炭素年代測定の結果から、クレナルカエオール自体とは異なる起源（例えば底生性の古細菌や堆積物中での化学変化）を持つ可能性が指摘されています。

しかし、TEX86の計算からクレナルカエオールを除外した場合、この指標と実際の海面温度との相関関係が著しく不明瞭になることが分かっています。これは、クレナルカエオールがTEX86古水温計の計算において本質的に重要な要素であることを強く示唆しています。

分析手法

環境サンプルや生物試料中のクレナルカエオールを含むGDGT類を分析するためには、特定の化学的手法が用いられます。一般的には、まず適切な溶媒（例えばメタノールやジクロロメタン）を用いた抽出によって脂質成分を分離します。その後、高速液体クロマトグラフィーと質量分析法を組み合わせた手法（HPLC/APCI-MSなど）で分析が行われます。

分析の前には、分子から極性頭部を切り離すための酸加水分解といった前処理が必要となる場合があります。質量分析では、クレナルカエオールは質量電荷比1218 ([M + H]+ - 18) および1172 ([M + H]+ - 74) の特徴的なイオンとして検出されます。検出された各GDGTの特徴的なイオンピークの面積を積分することで、サンプル中の各GDGTの相対的な量を定量することが可能となります。これにより、バイオマーカーとしての利用やTEX86計算のためのデータが得られます。

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