JP2004261124A - Primer for detecting methanogen, detecting method using the same, etc. - Google Patents

Primer for detecting methanogen, detecting method using the same, etc. Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for exhaustively detecting methanogens in an environmental specimen such as methane fermentation sludge and provide a primer for the detection method. <P>SOLUTION: The method for the detection of methanogens in a nucleic acid specimen derived from methanogens in an environmental specimen comprises a PCR method using either one of the following primer sets consisting of (a) an oligonucleotide having the 1st specific base sequence or a base sequence essentially homologous to the 1st sequence and an oligonucleotide having the 2nd specific base sequence or a base sequence essentially homologous to the 2nd sequence and (b) an oligonucleotide having the 3rd specific base sequence or a base sequence essentially homologous to the 3rd sequence and an oligonucleotide having the 4th specific base sequence or a base sequence essentially homologous to the 4th sequence, and the detection of the amplification product obtained by the PCR. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物や廃水等のメタン発酵処理汚泥中に存在するメタン生成細菌を検出する方法及びそれに用いるプライマー等に関し、より詳しくは、メタン生成細菌群集構造を網羅的且つ総括的に把握するのに有用な検出法等に関する。
【0002】
【従来の技術】
有機性汚濁物質を含有する排水の処理には、従来から好気性の生物処理法が多く用いられているが、この方法はエネルギー消費が多く、かつ、余剰汚泥の処分が大きな問題になっている。これに対して、高濃度の有機性汚濁物質を含有する排水や有機性汚泥の処理には、従来から嫌気性処理方式(メタン発酵)が多用されている。この方式は曝気動力が不要なのでエネルギー消費量が節約できること、余剰汚泥の発生量が少ないので処理費用が廉価であること、かつエネルギーとして有用なメタンガスを回収できることなどの利点がある。
【0003】
メタン発酵は、▲1▼高分子の有機物を可溶化する過程、▲2▼可溶化された有機物を酸発酵する過程、▲3▼メタン生成過程と大きく分けて3つのステップに様々な微生物が関与する複雑な生物反応系である。
【0004】
特に有機物負荷が高くなると、メタン発酵汚泥中に有機酸の蓄積が生じ、バイオガス生成の安定性が失われる。すなわち、メタン発酵においてはメタン生成に係る微生物の活性または濃度が最終的なメタン発生速度・量を決定する重要な因子である。
【0005】
例えば、上記のような生物反応系環境試料中のメタン生成活性を定量するために、メタン生成細菌が持つ自家蛍光を持つ補酵素F420の蛍光強度を測定することも試みられている。しかし、F420を持つメタン生成細菌の種類が限られていて、必ずしも総括的なメタン生成活性を表すことができない、また夾雑物の影響を受けやすいなどの問題がある。
【0006】
また、メタン生成細菌数の測定には、培養を基本とするMPN法などが用いられるが、メタン生成細菌は生育が遅いため、計数までに1ヶ月を要する。しかも、寒天培地で生育可能な細菌の割合は、汚泥試料等の場合、存在している全菌の1%以下にすぎないと言われている。そのような培養できない細菌は、存在していても検出することができない。
【0007】
一方、近年において分子生物学的手法を利用した微生物の検出法が発達してきた。例えば、目的の細菌遺伝子配列の特異的な部分に相補的な配列を持つオリゴヌクレオチドを作成し、これに蛍光色素をつけたDNAプローブを細胞内でハイブリダイゼーションするFISH(fluorescent in situ hybridization)法(非特許文献1)や、細菌遺伝子に特異的なプローブを使用したPCR(polymerase chain reaction)法によれば、標的の細菌を、培養を経ずに環境試料から検出することができる。
【0008】
例えば、FISH法では2,3種類の蛍光色素を別々のDNAプローブにつけ、同一試料にハイブリダイズさせることにより、同一視野で色素別に標的細菌を検出することができる。しかし定量には蛍光顕微鏡を用いて複数視野を計数して平均値を出すことが必要で、標的細菌の種類を増やすと非常に時間と労力がかかることが課題である。
【0009】
またPCR法に関しては、試料中のDNAを抽出し、メタン生成細菌間で共通に保存されている16S rRNA遺伝子に相補的な配列を持つオリゴヌクレオチドプライマーを用いて16S rRNA遺伝子をPCR法で選択的に増幅する検出法が公知である(特許文献1)。
【0010】
さらに、PCR産物を解析する手法の一つとして、同じ長さの2本鎖DNAをそのGC含量の相違で分離することができる変性剤濃度勾配ゲル電気泳動法(以下、「DGGE法」とも記述する)が公知である(非特許文献2)。
【0011】
【非特許文献1】
R. I. Amman, L. Krumholz and D. A. Stahl: Fluorescent−oligonucleotide probing of whole cells for determinative, phylogenetic and environmental studies in microbiology, J. Bacteriol., 172, 762〜770, 1990
【非特許文献2】
G. Muyzer, E.C. De Waal, and A.G. Uitterlinden: Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction−amplified genes coding for 16S rRNA, Applied and Environmental Microbiol., Vol.59, No.3, p.695−700, 1993
【特許文献1】
特開2001−327290号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、有機性廃棄物・廃水等の環境試料の診断等のために、その中に存在する微生物群に由来する遺伝子を調べる微生物群集構造解析が有力視されるようになった。メタン発酵汚泥を対象としてこの種の解析を行う場合、採取された汚泥試料に上述のような遺伝子検出法を適用し、メタン生成細菌を検出する必要がある。
【0013】
しかしながら、メタン発酵汚泥中のメタン生成細菌群集構造を調べる場合、上記従来の検出方法を適用するだけでは、下記のような不都合があった。
分子生物学的手法による検出法を適用するに際し、従来のメタン生成細菌検出用オリゴヌクレオチドプライマーは、特定の属及び/又はグループのみを検出できるが、メタン発酵処理汚泥中に存在するようなメタン生成細菌群を十分に網羅することができる望ましい特異性を備えたものは得られていなかった。
【0014】
また、上記特許文献1に記載されるオリゴヌクレオチドプライマーは全メタン生成細菌を検出可能であるとされるが、それらプライマーを使用して、汚泥中に混在するメタン細菌群集構造を首尾良く解析することができるか否か、例えば、前記変性剤濃度勾配ゲル電気泳動法を適用するのに適切な増幅産物を得られるか否かは、何ら検討されていない。
【0015】
したがって、メタン発酵処理汚泥等の環境試料からメタン生成細菌群を網羅的に検出すると共に、メタン生成細菌群の状況を総括的に把握できる迅速且つ簡易な検出法、及びそれに適したプライマー等を提供することが必要とされている。
【0016】
本発明の目的は、環境試料からメタン生成細菌を網羅的に検出する方法及びそのためのプライマー等を提供することにある。
本発明の更なる目的は、環境試料からメタン生成細菌を網羅的に検出すると共に、それらメタン生成細菌の群集構造を総括的に把握できる検出方法、及びそのような指標データを得る方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の課題を解決するために鋭意研究を行った結果、有機性廃棄物・廃水のメタン発酵処理汚泥中に存在するメタン生成細菌由来の遺伝子を網羅的に検出できるプライマーを見出し、本発明を完成させた。
【0018】
すなわち、本発明は、下記(a)又は(b)に記載の一組のオリゴヌクレオチドを含むプライマーセットを提供する:
(a)配列番号1の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号2の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチド;又は
(b)配列番号3の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号4の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチド。
【0019】
また本発明は、メタン生成細菌を検出する方法であって、環境試料中のメタン生成細菌に由来する核酸試料を対象にして、上記いずれかのプライマーセットを使用してPCR法を行い、該PCR法により得られた増幅産物を検出することを含む方法を提供する。
【0020】
本発明による検出法の好ましい一態様は、環境試料中のメタン生成細菌に由来する核酸試料を対象にして、上記(a)に記載のプライマーセットを使用して第1のPCR法を行い、そして、該第1のPCR法により得られた増幅産物を対象にして、更に上記(b)に記載のプライマーセットを使用して第2のPCR法を行うことを含む、上記方法である。
【0021】
また、本発明者等は、それらプライマーを用いて選択的に増幅された核酸断片群を変性剤濃度勾配ゲル電気泳動(DGGE)にかけることによって、メタン生成細菌の群集構造を網羅的且つ総括的に捕らえることができることを明らかにした。
【0022】
すなわち、本発明によるメタン生成細菌の検出方法は、上記(b)に記載のプライマーセットを使用してPCR法を行う場合に、該PCR法により得られた増幅産物を変性剤濃度勾配ゲル電気泳動にかけることを更に含むことが好ましい。
【0023】
さらに、本発明は、前記変性剤濃度勾配ゲル電気泳動による前記電気泳動によって得られる泳動バンドの分布を、前記環境試料に存在するメタン生成細菌群集構造についての指標データとして使用することを含む、環境試料の評価方法をも提供する。
【0024】
本発明の方法が適用される好ましい環境試料は、メタン発酵汚泥である。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明は、メタン発酵汚泥等の微生物反応系環境試料(以下単に「環境試料」又は「汚泥試料」とも記述する)中のメタン生成細菌に由来する16S rDNA遺伝子の存在をPCR法を介して選択的に検出することに依拠する、メタン生成細菌検出法である。
【0026】
本検出法において、PCR法に使用されるプライマーは、所定のPCR条件下で、メタン発酵汚泥中で優占化するようなメタン生成細菌由来の16S rDNA遺伝子にはアニールできるが、それと同一の条件下では、真性細菌及び非メタン生成細菌由来の16S rDNA遺伝子にはアニールしないような塩基配列を有するように設計され、メタン生成細菌群に対して包括的な特異的を有する。
【0027】
そのようなPCR用プライマーとして、配列番号1の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと配列番号2の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドからなるプライマー対、又は、配列番号3の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと配列番号4の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドからなるプライマー対を例示できるが、これらに限定される訳ではない。本検出法に使用可能なプライマーには、塩基長やPCR条件等に依存して、上に列挙した塩基配列と実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドからなるプライマー対も含まれる。
【0028】
上記のように所望の特異的を有する本発明のプライマーを使用するPCRによると、その結果として、少なくとも1種のメタン生成細菌が存在する試料では所望の核酸増幅が起こるが、メタン生成細菌が実質的に存在しない試料では有意な核酸増幅は起こらないこととなる。したがって、本発明のプライマーを使用するPCR法においては、期待される核酸が増幅されるか否かを調べるだけで、環境試料中に存在するメタン生成細菌群についての網羅的検出が可能となる。かくして、本発明によれば、短時間で簡易なPCR法によるメタン生成細菌群の検出法が提供される。
【0029】
PCR法で得られた増幅産物が目的の核酸断片であることを確認するためには、増幅産物の電気泳動を行ってもよいし、使用されたプライマー間の核酸領域、つまり当該増幅される核酸領域に相補的なDNAプローブ等を使用して検出してもよい。
【0030】
また、増幅された目的核酸の量は、環境試料中に生息していたメタン生成細菌の菌数(或いはその16S rDNA遺伝子コピー数が加味されて)と相関する。すなわち、それら増幅産物の電気泳動により得られる目的核酸のバンドの太さ(輝度又は濃度)に基づき、或いは、競合PCR等による定量容易な検出等に基づき、一定の環境試料中に含まれる各種メタン生成細菌の総合的な生菌数を知ることができる。これら増幅産物の検出・定量法には、当該技術分野に知られているあらゆる公知の手段を使用できる。
【0031】
第1の実施態様
本発明の検出法の第1の実施態様は、上記のようなメタン生成細菌群に特異的なプライマーを使用すると共に、そのプライマーによってメタン生成細菌の16S rDNAの「全長配列」に近い領域を増幅するように企図された第1のPCR法に基づくものである。
【0032】
この態様によると、得られた増幅産物は、それらがクローニングされた場合に系統学的解析に役立つのに十分な規模の16S rDNA遺伝子情報を提供できるので、メタン生成細菌種の同定等が容易になるという利点をもたらす。例えば、得られた増幅核酸を試料として大腸菌を用いた公知の遺伝子クローニング法(中山広樹・西方敬人、バイオ実験イラストレイテッド▲2▼遺伝子解析の基礎、秀潤社、p.69−88、1995等)を適用し、クローン化された核酸に基づいて詳細な解析を行うことができる。
【0033】
上記第1の実施態様に使用可能なプライマーは、例えば、配列番号1及び配列番号2の各塩基配列からなる一組のオリゴヌクレオチドである。このプライマーセットによると、16S rDNAの全長(塩基数にして約1500個)のうち、典型的には、5’末端側から数えた塩基位置で約85番目〜約1350番目の領域に相当する約1265塩基の断片が増幅される。
【0034】
第2の実施態様
本発明の検出法の第2の実施態様は、上記のようなメタン生成細菌群に特異的なプライマーを使用すると共に、それらプライマーによってメタン生成細菌の16S rDNA塩基配列中の「部分配列」を増幅するように企図された第2のPCR法に基づくものである。すなわち、この態様によると、得られる増幅産物は、PCR−DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis)法を好ましく適用できる断片長の増幅核酸として得られる。そのような好ましい断片長は、塩基数にして約200個前後である。
【0035】
上記第2の実施態様に使用可能なプライマーは、例えば、配列番号3及び配列番号4の各塩基配列の一組のオリゴヌクレオチドである。このプライマーセットを使用すると、典型的には、16S rDNA塩基配列中の5’末端側から数えた塩基位置で約1200番目〜約1400番目に相当する約200塩基の断片が増幅される。
【0036】
因みに、PCR−DGGEは、PCR産物をDNA変性剤の濃度勾配を形成したゲル内で電気泳動(DGGE)させることによって、通常の電気泳動ではバンドが重なってしまうような同じ長さのDNA断片を分離することができる公知の手段である。PCR−DGGE法によれば、同じ塩基長のPCR増幅核酸断片からなるPCR産物が2本鎖形態で泳動を開始し、DNA変性剤の濃度勾配が上昇する方向へ泳動されるに従い、個々のDNA断片は固有のGC含量に依存して異なる変性剤濃度で解離し得るので、塩基配列の相違が泳動距離の差になって表れる。なお、DGGEの条件は、増幅核酸のGC含量に依拠するので、必要に応じて上記プライマーの端部に、適切な泳動距離を与えるためのCGクランプ配列を付加するとよい。
【0037】
PCR増幅された当該16S rDNA断片群のDGGEによる分離は、個々の16S rDNA断片が有する塩基配列の相違を反映した形で複数本のバンドを形成し、概して、それら16S rDNA上の塩基配列情報の相違がこの種の細菌の系統学的位置づけに強く相関することから、DGGEで分離したそれらバンドは、異なるメタン生成細菌の存在を示す。
【0038】
かくしてDGGEで現れるバンドの分布は、当該メタン生成細菌群集中の各種メタン生成細菌の相対的な存在比(多様性)を示し、また、それぞれのバンドの太さ(輝度又は濃度)は、各バンドに対応する同一細菌群の相対的な存在量(菌数)を示すとされる。このようにして、本検出法は、可視的なバンド分布として、メタン生成細菌群集構造に関する網羅的且つ総括的な基礎データ、つまりメタン生成細菌群の種類と菌数の双方を写し取った形の指標データを提示することができる。
【0039】
第3の実施態様
本発明の検出法の第3の実施態様は、メタン生成細菌の16S rDNAの全長配列に近い領域を増幅させる第1のPCR法と、その16S rDNA上の部分配列領域を増幅させる第2のPCR法とを組み合わせた方法である。
【0040】
この態様によると、汚泥試料由来の様々な微生物の核酸が混在する試料について、先ず第1のPCR法によりメタン生成細菌群の網羅的な検出を行って目的核酸の濃縮を行い、このようにして濃縮された産物に対して更に第2のPCR法が行われる。このような2段階のPCRを行うことにより、メタン生成細菌群への特異性が増し、より精度の高い検出が可能となる。なお、この態様を実施するには、第2のPCR法に使用されるプライマーは、第1のPCR法により得られる増幅核酸中の領域を標的として、特異的な塩基配列が選択され、設計される必要がある。
【0041】
上記第3の態様もまた、第2のPCR法による増幅産物をDEEGで分離することによって、メタン生成細菌群に関する指標データを得ることができる。
さらに、上記第3の態様を利用することによって、下記のようなメタン生成細菌群集の解析方法を提供することができる。
【0042】
第1のPCR法で増幅させた長鎖の16S rDNA断片をクローニングしてその塩基配列決定と解析を行うと共に、さらにそれらクローン化16S rDNA断片を個々に第2のPCR法とDEEG法にかけて、各クローン化試料に由来する単一バンドを得る。このとき、各クローン化試料のDEEG泳動を、試料汚泥由来の非クローン化DNA試料の泳動と同時に行うことで、各々のクローン化試料に由来する単一バンドが、汚泥試料由来する複数バンドのうち、いずれのバンドに対応するのかを確認することができる。そして、各クローン化試料の16S rDNAは、前記のように長鎖の16S rDNA断片としてクローニングされた際に塩基配列解析により細菌の種類を同定し得るので、かくして、各バンドを構成する細菌群について系統学上の分類も可能である。このようにして、メタン生成細菌群集の構造の指標となる基礎データを解析し、評価することもできる。
【0043】
上記第3の実施態様に使用可能なプライマーとしては、配列番号3及び配列番号2の各塩基配列からなる一組のオリゴヌクレオチドを用いたプライマーセットと、配列番号3及び配列番号4の各塩基配列からなる一組のオリゴヌクレオチドとの組み合わせが挙げられる。
【0044】
本検出法を適用するために汚泥試料から核酸試料を抽出・精製する方法としては、あらゆる公知の手段を用いることができる。
上記PCRの条件は、被検試料等によって異なるが、いずれにしても当該技術分野の技術常識、又は当業者なら認識できる経験則を基づき、適宜選択することができる。好ましいPCRの条件は、例えば、下記実施例に記載された条件である。
【0045】
本明細書に使用される「メタン生成細菌の群集構造」という用語は、メタン発酵汚泥のような環境試料中に生息するメタン生成細菌群の分類と存在量により把握される存在状態を示し、具体的には、比較的小数の構成員で構成されるが、系統分類学上多岐にわたるメタン生成細菌群についての、分類学的位置づけ及びそれら各群の菌数で定義される。また本発明においては、電気泳動ゲル上に現れる泳動バンド群の分布(各泳動バンドの泳動距離と太さのばらつき)に対応する。
【0046】
本明細書内で言及される「環境試料」又は「汚泥試料」とは、有機物の浄化ないし資化作用が期待されるメタン発酵汚泥のような微生物反応系を持つ有機物含有試料を意味するが、典型的には、約2000mg/L〜約10,000mg/LのBOD及び/又は約6000mg/L〜約30,000mg/LのCODCr(重クロム酸カリウムによる酸素消費量)を有し、メタン生成細菌がメタン発酵を行うのに適した高温嫌気条件下にある汚泥試料である。また、「核酸試料」とは、前記環境試料中に存在する微生物由来のDNA及び/又はRNAを含み、PCRに利用され得るように調製された試料であり、特に、微生物由来の16S rRNAがPCRの鋳型として利用され得る試料である。
【0047】
本明細書においてオリゴヌクレオチドに関して使用される「塩基配列が実質的に相同である」という表現は、当該オリゴヌクレオチドがPCRプライマー等として機能し得る程度の断片長と相同性を有することを意味する。
【0048】
例えば、プライマーは、使用目的や条件によっては必ずしも100%の相同性を有している部位から設計する必要はなく、目的とする領域のプライマーの5’末端付近で数塩基が異なっていてもよい。そのようなプライマーを使用しても、アニーリング温度等を検討することによって目的DNA断片を適宜増幅させることは可能である。すなわち、本発明を実施するに際し、高い特異性が要求されるならば、完全に相同な配列部位(典型的には、配列番号1〜4の塩基配列)を使用し且つそのような配列でしかアニーリングしないPCR条件を選択すればよく、その反面、比較的特異性の低い条件が許容されるなら、配列番号1〜4の塩基配列とは数塩基異なる配列を使用し且つそれでもアニーリングするようなPCR条件を選択すればよい。
【0049】
また、プライマーとして実質的に相同或いは相補的であるか否かは、例えば、インターネット上に公開されている上記のプローブチェックプログラム(The RDP−II:Ribosomal Database Project, Maidak BL, Cole JR, Lilburn TG, Parker CT Jr, Saxman PR, Farris RJ, Garrity GM, Olsen GJ, Schmidt TM, Tiedje JM., Nucleic Acids Res 2001 Jan 1;29(1):173−4)によって行うこともきる。
【0050】
【実施例1】
プライマーの設計
メタン生成細菌の16S rDNA上に見られるコンセンサス配列を探るため、分類学上多岐にわたる各種メタン生成細菌の16S rDNA塩基配列について、系統学的見地からの解析が行われた。
【0051】
図1は、メタン生成細菌の16S rDNA塩基配列解析の結果を示しており、見出されたコンセンサス領域の塩基配列が列記されている。
同図に示されるように、解析の結果、16S rDNAの5’末端側から順にM85F、AP5F、AP7R、M1350Rと命名された4箇所の標的領域が選ばれ、それら各領域におけるコンセンサス配列(同図の最下行に並べた4つの塩基配列)が特定された。実際に合成されたプライマーは、M85F領域とM1350R領域にそれぞれ相補的な一組のオリゴヌクレオチド(それぞれ配列番号1及び配列番号2に記載される)と、AP5F領域とAP7R領域にそれぞれ相補的な一組のオリゴヌクレオチド(それぞれ配列番号3及び配列番号4に記載される)である。例えば、それらプライマーの各ヌクレオチド位置は、Methanobacterium formicicumの16S rDNA塩基配列(全長1476bp; GenBankアクセッション番号M36508)における塩基番号で表記すると、次のようになる。
配列番号1(M85F):86−103
配列番号2(M1350R):1332−1349
配列番号3(AP5F−GC):1167−1188
配列番号4(AP7R):1329−1349
【0052】
図2は、メタン生成細菌の系統樹を示す。同図から明らかなように、上記プライマーの設計は、その系統樹の細部に且つ多岐にわたる各種メタン生成細菌から得られた16S rDNA塩基配列情報を基礎にしている。このようにして、メタン生成細菌に分類され得るあらゆる種ないし株属ないし種レベルを網羅するような包括的特異性を持たせることが企図された。
【0053】
第1の実施態様による、メタン発酵汚泥からの 16S rDNA 断片の検出及びクローニング
メタン発酵汚泥から採取した被検試料からQIAamp DNA Stool Mini KitによりDNA試料を抽出・精製し、そのDNA試料に対し直接に、配列番号1及び配列番号2の一組の塩基配列からなるプライマーセットを使用してDNA試料中の16S rDNA遺伝子をPCR増幅させ(反応条件:94℃ 3min− (94℃ 1min, 60℃ 1min, 72℃ 2min)×30 cycle− 72℃ 3min− 4℃∞)、得られた増幅断片をアガロースゲルで電気泳動後、目的遺伝子のDNA断片を含むバンドを切り出した。切り出したDNA断片を精製し、pT7 Blue T−Vectorを用いてTAクローニングを行った。
【0054】
クローニングはE.coli DH5αを用いて行い、アンピシリン、IPTG、X−galを含む選択培地でカラーセレクションを行った。選択培地上に形成されたホワイトコロニーをアンピシリン入りの液体LB培地で一晩37℃で培養後、QIAGEN QIAprep spin Miniprep Kitを用いて形質転換されたE.coli DH5αよりプラスミドを抽出した。このプラスミドを鋳型に、ABI DNA sequencing Kit(BioDyeTM Terminator Cycle sequencing Ready Reaction)によりPCR後、Edge Bio Systems(PERFORMA DTR Gel Filtration Cartridges)を用いて余分なDye terminaterを取り除き、キャピラリーシークエンサーを用いて塩基配列を決定した。
【0055】
なお、それらプラスミド中に組み込まれるクローン化配列は、下記実施例3において例証されるように、同じ種類の菌に由来する目的16S rDNA断片を代表するものである。
【0056】
配列番号1及び配列番号2の一組の塩基配列からなるプライマーセットを用いて、被検試料中から抽出したDNA試料を鋳型にしてPCRにより増幅し、その増幅断片をアガロースゲルでの電気泳動を行ったところ、予想された約1265塩基の増幅断片長と同じ長さを示す位置に強度レベルの高いバンドが検出された。なお、非特異的増幅はほとんど見られないが、なかには2本ほど非常に強度レベルの低いバンドが検出されるDNA試料も見られた。
【0057】
得られたクローン化配列についての系統解析を行った結果、それらの塩基配列は、全てArchaeaに属する配列であり、Bacteriaに属する配列はこれまで1つも検出されなかった。また、これまでに検出されたそれらArchaeaに属する核酸は、Methanoculleus Methanospirillum、又はMethanosarcina Methanobacterium分類され、また、その他多数のUncultured archaeonに属する配列についても、少なくともメタン生成細菌に属するクラスター内に位置づけられた。
【0058】
このようにして、配列番号1及び配列番号2の一組の塩基配列からなるプライマーセットを使用するPCR法により、当該被検試料中の各種メタン生成細菌に由来する16S rDNA遺伝子を特異的且つ網羅的に増幅して、同定することができた。
【0059】
【実施例2】
第2の実施態様による PCR−DGGE 解析
メタン発酵汚泥から採取した被検試料からQIAamp DNA Stool Mini KitによりDNA試料を抽出・精製し、そのDNA試料に対し直接に、配列番号3及び配列番号4の一組の塩基配列からなるプライマーセットを使用してDNA試料中の16S rDNA遺伝子をPCR増幅させ(反応条件:94℃ 3min− (94℃ 1min, 60℃ 1min, 72℃ 2min) × 30 cycle− 72℃ 3min− 4℃∞)、そのPCR産物をDGGE法で泳動させた。図3は、DGGEの泳動結果の一例を示す。
【0060】
なお、同一の環境試料から抽出・精製したDNA試料に対し、公知のプライマーであるPARCH340fとPARCH519r(Ovreas L, Forney L, Daae FL, Torsvik V:Distribution of bacterioplankton in meromictic Lake Saelenvannet, as determined by denaturing gradient gel electrophoresis of PCR−amplified gene fragments coding for 16S rRNA, Appled Environmental Microbiology, 63(9),3367−3373、1997)を用いてPCR増幅した結果、上記のような増幅断片は得られなかった。これに対し、上記配列番号3及び4のプライマーセットを用いたPCR(反応条件:94℃ 3min− (94℃ 1min, 60℃ 1min, 72℃ 2min)×30 cycle− 72℃ 3min)により得られたPCR産物のアガロースゲルでの電気泳動では、予想された約200塩基の増幅断片長付近に強度レベルの高い単一バンドが見られた(不図示)。
【0061】
上記PCR産物をDGGE法で泳動した結果(例えば、図3参照)では、運転条件の異なる発酵槽からのDNA試料間でバンド数に大きな差が見られ、比較的多数のバンドが得られるDNA試料と、僅かな数のバンドしか得られないDNA試料とが見られた。それらバンド間の分離状態は良好であった。
【0062】
【実施例3】
第3の実施態様による2段階 PCR−DGGE 解析
上記実施例1で記載したように第1の態様のPCRで得られた16S rDNA長鎖断片が組み込まれているプラスミドを鋳型とし、第2の態様のPCRを行った。この結果、各プラスミドにインサートされているクローン化16S rDNA長鎖から短鎖部分が選択的に増幅されてクローン由来PCR産物が得られた(反応条件:94℃ 3min− (94℃ 1min, 60℃ 1min, 72℃ 2min)×30 cycle− 72℃ 3min− 4℃∞)。次いで、前記クローン由来PCR産物を電気泳動にかけた。
【0063】
前記クローン由来PCR産物をアガロースゲル電気泳動にかけた結果、予想された増幅断片長付近に強度レベルの高い単一バンドが見られ、また、そのクローン由来PCR産物をDGGEにより泳動した結果においても、単一のバンドが見られた。
【0064】
前記クローン由来PCR産物のDGGEで泳動するに際し、このクローン由来PCR産物と並べて、メタン発酵汚泥試料に由来するDNA試料に対して同じく第2の態様のプライマーセットを直接に用いて得られたPCR産物(以下「混成PCR産物」という)を泳動させた。このようにして、クローン由来PCR産物が、混成PCR産物から実際に得られる複数バンドのうち、どのバンドに対応するかを突き止めることもできた。
【0065】
そして、各16S rDNA長鎖断片ついてのシークエンス及び系統解析の結果との対比から、同一の位置に検出されるバンドは、ほぼ同じメタン生成細菌の配列を有することが分かった。また、異なる位置に検出されたバンドは、ほぼ異なるメタン生成細菌の配列を有することが分かった。このようにして、それぞれのメタン生成細菌群に由来するクローン化DNA試料のDGGEの結果と、メタン発酵汚泥試料に由来する混成DNA試料のDGGEで分離される各バンドとの対応付けは、問題なく行うことができた。
【0066】
また、上記のようにしてなされたクローン化試料を対象とするDGGEの結果からは、同じプライマーセットを用いたメタン発酵汚泥由来の混成PCR産物を対象としたDGGEの泳動では検出できなかったメタン生成細菌も検出することができた。
【0067】
本実施例のように、メタン生成細菌の16S rDNA長鎖を網羅的に取得して系統学的解析を効率的に適用できる第1の態様のPCRと、当該16S rDNA短鎖上の塩基配列情報の相違を反映した泳動バンドの分布を検出できる第2の態様のPCR−DGGEとを組み合わせることによって、当該環境試料中のメタン生成細菌群の種類と菌数を明らかにすることができる。
【0068】
なお、上記の実施例で適用されたPCR及び電気泳動に関する諸条件は、以下の通りである。

Figure 2004261124
なお、上記PCR反応液組成において、各プライマーは1pmolずつ入っている。
Figure 2004261124
なお、上記PCR産物は、PCR反応後の液をアガロースゲルからDNAを抽出後、精製したものを用いた。
〔シークエンスPCR反応液〕
下記組成で全体量が20μになるように調製した。
Figure 2004261124
〔PCR反応条件〕
96℃30sec−(96℃10sec−50℃5sec−60℃3min)×30cycle−(96℃10sec−60℃10sec−72℃1min)×15cycle−4℃∞
〔DGGE泳動条件〕
使用ゲル:10% ポリアクリルアミドゲル
変性濃度勾配:20−70%
200V定電圧で3時間から3時間半泳動
なお、DGGEの泳動後は、Vistra green nucleic acidで染色し、FluorImager595によりバンドを検出した。
【0069】
【実施例4】
メタン生成細菌の群集構造の解析
上述したように、メタン発酵汚泥中の全メタン生成細菌に由来する16S rDNA遺伝子のPCR増幅産物をDGGEのゲル上に展開することにより、当該メタン生成細菌の群集構造を映像的に捕らえた基礎データが得られる。そして、この種の指標データを特定のメタン発酵槽について定期的に記録していくことで、その発酵槽内のメタン生成細菌群の種類と菌数の変遷を追跡することができる。そのような追跡から、メタン生成細菌群の種類と菌数の変遷と、実際に観測される発酵槽の状態変化との相関関係が明らかになる。
【0070】
従って、本発明によるDGGEの泳動結果は、メタン発酵槽の状態の善し悪しを診断し、その運転条件等を制御するための目安を与える指標データとして利用できる。すなわち、この種の映像データは、発酵槽中の分解活性を左右するメタン生成細菌の群集構造の変遷を早期に且つ直接的に写し取った指標データである。このような指標データを取得し、検査することによれば、細菌の群集構造の変遷に追従して変化するであろう発酵槽の実際の状態変化(例えばメタンガス発生量の変動)を観測してから判断するよりも、迅速かつ的確な状況判断ができるようになる。例えば、発酵槽の運転状況が理想的な状況から逸脱する場合に追跡して得られたDGGEの泳動結果をその状態悪化を示す指標データとして記録しておき、その後、DGGEの泳動結果を検査する際には、その指標データに照らし合わせることで、発酵槽の状態悪化を事前に予測し、対処することができる。
【0071】
本実施例では、一定期間内において、メタン発酵槽内からのメタンガス発生量を測定すると共に、そのメタン発酵槽から定期的に採取したDNA試料についてPCR−DGGEで得られる泳動バンドを記録した。
【0072】
図4は、メタンガスの発生量と対応する泳動写真とを対比して示す。同図で示されるようにメタンガス発生量が変動する発酵槽では、各泳動写真中に現れるバンドの数や太さにも経時的に変化する傾向が見られ、このように細菌の生息状況の経時的な変化が可視的に把握されることが分かった。
【0073】
図4のデータにおいては、例えば、メタンガス発生が比較的不安定なI期(12/10〜2/25)、それが比較的安定なII期(3/4〜5/13)、ガス量の急激な上昇を伴うIII期(5/20〜)が見られるが、これらガス発生量の変遷を各時期の泳動結果に照らしてみると、それぞれの時期に特有の形態を持つ泳動バンドが出現していることが分かった。
【0074】
【発明の効果】
以上詳細に述べたように、本発明によれば、環境試料中に存在するメタン生成細菌を網羅的に検出することができ、必要であれば、そのメタン生成細菌群集構造についての指標データを得ることができる。
【0075】
【配列表】
Figure 2004261124
Figure 2004261124

【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、メタン生成細菌の16S rDNA塩基配列解析の結果を示す。
【図2】図2は、メタン生成細菌の系統樹を示す。
【図3】図3は、実施例によるDGGEの泳動写真の一例を示す。
【図4】図4は、メタンガスの発生量とそれに対応する泳動バンドとを経時的に対比して示す。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for detecting methanogenic bacteria present in methane fermentation-treated sludge such as organic waste and wastewater and primers used therefor, and more specifically, a comprehensive and comprehensive description of the methanogenic bacterial community structure. The present invention relates to a detection method and the like useful for understanding.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, aerobic biological treatment methods are often used to treat wastewater containing organic pollutants, but this method consumes a lot of energy and disposal of excess sludge is a major problem. . On the other hand, an anaerobic treatment method (methane fermentation) has been frequently used for treating wastewater or organic sludge containing a high concentration of organic pollutants. This method has the advantages that energy consumption can be saved because aeration power is not required, treatment cost is low because the amount of surplus sludge is small, and methane gas useful as energy can be recovered.
[0003]
Methane fermentation involves the following three steps: (1) the process of solubilizing high molecular organic matter, (2) the process of acid fermentation of solubilized organic matter, and (3) the methane production process. Is a complex biological reaction system.
[0004]
In particular, when the organic matter load increases, accumulation of organic acids occurs in the methane fermentation sludge, and the stability of biogas generation is lost. That is, in methane fermentation, the activity or concentration of the microorganisms involved in methane production is an important factor that determines the final rate and amount of methane generation.
[0005]
For example, in order to quantify the methane production activity in the above-mentioned environmental sample of a biological reaction system, an attempt has been made to measure the fluorescence intensity of the coenzyme F420 having autofluorescence possessed by the methane-producing bacteria. However, the types of methanogens having F420 are limited, and there is a problem that the methanogens cannot always exhibit the overall methanogenic activity and are susceptible to contaminants.
[0006]
For the measurement of the number of methanogenic bacteria, an MPN method or the like based on culture is used. However, since the methanogenic bacteria grow slowly, it takes one month to count. Moreover, it is said that the ratio of bacteria capable of growing on an agar medium is only 1% or less of the total bacteria present in the case of a sludge sample or the like. Such non-cultivable bacteria, if present, cannot be detected.
[0007]
On the other hand, in recent years, methods for detecting microorganisms using molecular biological techniques have been developed. For example, an oligonucleotide having a sequence complementary to a specific portion of a target bacterial gene sequence is prepared, and a DNA probe to which a fluorescent dye is attached is hybridized in a cell by a FISH (fluorescent in situ hybridization) method ( According to Non-Patent Document 1) or a PCR (polymerase chain reaction) method using a probe specific to a bacterial gene, a target bacterium can be detected from an environmental sample without culturing.
[0008]
For example, in the FISH method, target bacteria can be detected for each dye in the same field of view by attaching two or three types of fluorescent dyes to different DNA probes and hybridizing them to the same sample. However, for quantification, it is necessary to count a plurality of visual fields using a fluorescence microscope and obtain an average value, and it is a problem that increasing the types of target bacteria requires much time and labor.
[0009]
Regarding the PCR method, the DNA in the sample is extracted, and the 16S rRNA gene is selectively selected by the PCR method using oligonucleotide primers having a sequence complementary to the 16S rRNA gene that is commonly conserved among methanogens. There is known a detection method for amplifying the DNA (Patent Document 1).
[0010]
Furthermore, as one of the techniques for analyzing PCR products, denaturing gradient gel electrophoresis (hereinafter also referred to as "DGGE") capable of separating double-stranded DNAs of the same length due to differences in their GC contents. Is known (Non-Patent Document 2).
[0011]
[Non-patent document 1]
R. I. Amman, L .; Krumholz and D.K. A. Stahl: Fluorescent-oligonucleotide probing of whole cells for determine, phylogenetic and environmental studies in microbiology. Bacteriol. , 172, 762-770, 1990
[Non-patent document 2]
G. FIG. Muizer, E .; C. De Waal, and A. G. FIG. Uitterlinden: Profiling of complex microbiological populations by dedenaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerization chain reaction-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-amplification-aid. , Vol. 59, No. 3, p. 69-700, 1993
[Patent Document 1]
JP 2001-327290 A
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Meanwhile, for diagnosis of environmental samples such as organic wastes and wastewater, etc., microbial community structure analysis for examining genes derived from the microbial communities present therein has become promising. When performing this type of analysis on methane fermented sludge, it is necessary to detect the methanogenic bacteria by applying the above-described gene detection method to the collected sludge sample.
[0013]
However, when examining the methanogenic bacterial community structure in methane fermentation sludge, simply applying the above-mentioned conventional detection method has the following inconveniences.
In applying a detection method based on a molecular biological technique, conventional oligonucleotide primers for detecting methanogenic bacteria can detect only a specific genus and / or group. No one with the desired specificity that could fully cover the bacterial population has been obtained.
[0014]
The oligonucleotide primers described in Patent Document 1 are said to be capable of detecting all methanogens. However, using these primers, it is necessary to successfully analyze the methane bacteria community structure mixed in the sludge. It has not been investigated at all whether the process can be performed, for example, whether an amplification product suitable for applying the denaturing gradient gel electrophoresis can be obtained.
[0015]
Therefore, while providing comprehensive detection of methanogenic bacteria from environmental samples such as methane fermentation-treated sludge, a quick and simple detection method capable of comprehensively grasping the status of methanogenic bacteria, and primers suitable for the method are provided. There is a need to
[0016]
An object of the present invention is to provide a method for exhaustively detecting methanogenic bacteria from an environmental sample, and a primer and the like for the method.
A further object of the present invention is to provide a detection method capable of comprehensively detecting methanogenic bacteria from an environmental sample and comprehensively understanding the community structure of the methanogenic bacteria, and a method of obtaining such index data. It is in.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, a primer capable of comprehensively detecting genes derived from methane-producing bacteria present in methane fermentation-treated sludge of organic waste and wastewater. Heading, the present invention has been completed.
[0018]
That is, the present invention provides a primer set comprising a set of oligonucleotides described in (a) or (b) below:
(A) an oligonucleotide having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto, and an oligonucleotide having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto; or
(B) an oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto, and an oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto.
[0019]
The present invention also relates to a method for detecting a methane-producing bacterium, wherein a PCR method is performed on a nucleic acid sample derived from a methane-producing bacterium in an environmental sample using any of the primer sets described above. A method comprising detecting an amplification product obtained by the method.
[0020]
In a preferred embodiment of the detection method according to the present invention, the first PCR method is performed on a nucleic acid sample derived from a methanogen in an environmental sample using the primer set described in (a) above, and The above method, further comprising performing a second PCR method on the amplification product obtained by the first PCR method using the primer set described in the above (b).
[0021]
In addition, the present inventors applied a denaturant gradient gel electrophoresis (DGGE) to a nucleic acid fragment group selectively amplified by using the primers, thereby obtaining a comprehensive and comprehensive view of the community structure of methanogens. Revealed that it can be caught.
[0022]
That is, in the method for detecting a methane-producing bacterium according to the present invention, when a PCR method is performed using the primer set described in the above (b), the amplification product obtained by the PCR method is subjected to denaturant concentration gradient gel electrophoresis. Preferably, the method further comprises subjecting
[0023]
Further, the present invention comprises using the distribution of electrophoretic bands obtained by the electrophoresis by the denaturing agent concentration gradient gel electrophoresis as index data for the methanogenic bacterial community structure present in the environmental sample. A method for evaluating a sample is also provided.
[0024]
A preferred environmental sample to which the method of the present invention is applied is methane fermentation sludge.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The present invention selects the presence of a 16S rDNA gene derived from methane-producing bacteria in a microbial reaction system environmental sample such as methane fermented sludge (hereinafter, also simply referred to as “environmental sample” or “sludge sample”) through PCR. This is a method for detecting methanogenic bacteria, which relies on the detection of the methanogenic bacteria.
[0026]
In the present detection method, the primer used in the PCR method can anneal to the 16S rDNA gene derived from a methanogen such as dominant in methane fermentation sludge under a predetermined PCR condition, but under the same conditions. Below, it is designed to have a base sequence that does not anneal to 16S rDNA genes from eubacteria and non-methanogens, and has global specificity for methanogens.
[0027]
As such a PCR primer, a primer pair consisting of an oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 and an oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2, or an oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 Examples of the primer pairs include oligonucleotides having the following base sequences, but are not limited thereto. Primers that can be used in the present detection method also include a primer pair consisting of an oligonucleotide having a base sequence substantially homologous to the base sequences listed above, depending on the base length, PCR conditions, and the like.
[0028]
As described above, PCR using the primers of the present invention having the desired specificity results in the desired nucleic acid amplification in a sample in which at least one methanogen is present, but the methanogen is substantially A significant nucleic acid amplification will not occur in a sample that is not present. Therefore, in the PCR method using the primer of the present invention, exhaustive detection of a group of methanogenic bacteria present in an environmental sample is possible only by checking whether or not an expected nucleic acid is amplified. Thus, according to the present invention, a method for detecting a group of methanogenic bacteria by a simple PCR method in a short time is provided.
[0029]
In order to confirm that the amplification product obtained by the PCR method is the target nucleic acid fragment, electrophoresis of the amplification product may be performed, or the nucleic acid region between the used primers, that is, the nucleic acid to be amplified Detection may be performed using a DNA probe or the like complementary to the region.
[0030]
In addition, the amount of the amplified target nucleic acid correlates with the number of methanogens inhabiting the environmental sample (or taking into account its 16S rDNA gene copy number). That is, based on the band width (brightness or concentration) of the target nucleic acid obtained by electrophoresis of these amplification products, or on the basis of easily quantified detection by competitive PCR or the like, various types of methane contained in a certain environmental sample can be used. It is possible to know the total viable count of produced bacteria. Any known means known in the art can be used for the detection and quantification of these amplification products.
[0031]
First embodiment
The first embodiment of the detection method of the present invention uses a primer specific to a group of methanogens as described above, and amplifies a region close to the “full-length sequence” of 16S rDNA of the methanogen using the primers. Based on the first PCR method designed to be used.
[0032]
According to this embodiment, the obtained amplification products can provide 16S rDNA gene information on a scale sufficient to be useful for phylogenetic analysis when they are cloned, so that identification of methanogenic bacterial species and the like can be easily performed. Bring the advantage of becoming. For example, a known gene cloning method using Escherichia coli with the obtained amplified nucleic acid as a sample (Hiroki Nakayama and Takato Nishikata, Bio-Experiment Illustrated (2) Basics of Gene Analysis, Shujunsha, pp. 69-88, 1995) can be performed to perform a detailed analysis based on the cloned nucleic acid.
[0033]
The primer that can be used in the first embodiment is, for example, a pair of oligonucleotides consisting of the nucleotide sequences of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2. According to this primer set, in the full length of 16S rDNA (about 1500 bases), typically, about 85 to 1350 base region corresponding to the base position counted from the 5 'end side is used. A 1265 base fragment is amplified.
[0034]
Second embodiment
The second embodiment of the detection method of the present invention uses primers specific to a group of methanogens as described above, and amplifies a “partial sequence” in the 16S rDNA nucleotide sequence of the methanogen by the primers. This is based on the second PCR method designed to perform That is, according to this embodiment, the obtained amplification product is obtained as an amplified nucleic acid having a fragment length to which the PCR-DGGE (denaturing gradient gel electrophoresis) method can be preferably applied. Such a preferred fragment length is around 200 nucleotides.
[0035]
The primer that can be used in the second embodiment is, for example, a pair of oligonucleotides of each base sequence of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4. When this primer set is used, typically, a fragment of about 200 bases corresponding to about 1200 to about 1400 at the base position counted from the 5 'end in the 16S rDNA base sequence is amplified.
[0036]
By the way, in PCR-DGGE, by subjecting a PCR product to electrophoresis (DGGE) in a gel in which a concentration gradient of a DNA denaturing agent is formed, a DNA fragment of the same length that a band is overlapped in normal electrophoresis is obtained. It is a known means that can be separated. According to the PCR-DGGE method, as a PCR product consisting of a PCR-amplified nucleic acid fragment having the same base length starts to migrate in a double-stranded form and migrates in a direction in which the concentration gradient of the DNA denaturant increases, individual DNA Since fragments can be dissociated at different denaturant concentrations depending on the intrinsic GC content, differences in base sequence appear as differences in migration distance. Since the DGGE conditions depend on the GC content of the amplified nucleic acid, a CG clamp sequence for providing an appropriate migration distance may be added to the end of the primer as needed.
[0037]
The DGGE separation of the PCR amplified 16S rDNA fragment group forms a plurality of bands in a manner reflecting the difference in the nucleotide sequence of each 16S rDNA fragment. These bands separated by DGGE indicate the presence of different methanogenic bacteria, as the differences strongly correlate with the phylogenetic positioning of such bacteria.
[0038]
Thus, the distribution of bands appearing in DGGE indicates the relative abundance (diversity) of various methanogens in the methanogen cluster concentration, and the thickness (brightness or concentration) of each band is determined by each band. The relative abundance (the number of bacteria) of the same bacterial group corresponding to the above. In this manner, the present detection method provides a comprehensive band of basic data on the structure of the methanogenic community as a visible band distribution, that is, an index in which both the type and the number of methanogens are copied. Data can be presented.
[0039]
Third embodiment
A third embodiment of the detection method of the present invention comprises a first PCR method for amplifying a region close to the full-length sequence of 16S rDNA of a methanogen, and a second PCR for amplifying a partial sequence region on the 16S rDNA. It is a method that combines the law and the law.
[0040]
According to this aspect, for a sample in which nucleic acids of various microorganisms derived from a sludge sample are mixed, the target nucleic acid is concentrated by performing exhaustive detection of a group of methanogenic bacteria by the first PCR method. A second PCR method is further performed on the concentrated product. By performing such a two-step PCR, the specificity to the methane-producing bacteria is increased, and more accurate detection becomes possible. In order to carry out this embodiment, the primers used in the second PCR method are designed by selecting a specific base sequence by targeting a region in the amplified nucleic acid obtained by the first PCR method. Need to be
[0041]
In the third embodiment, also, by separating the amplification product by the second PCR method with DEGE, index data on the methanogen group can be obtained.
Further, by utilizing the third aspect, it is possible to provide a method for analyzing a methanogenic bacterial community as described below.
[0042]
The long 16S rDNA fragment amplified by the first PCR method was cloned and its nucleotide sequence was determined and analyzed. Further, each of the cloned 16S rDNA fragments was individually subjected to the second PCR method and the DEGE method. Obtain a single band from the cloned sample. At this time, the DEEG electrophoresis of each cloned sample is performed simultaneously with the electrophoresis of the non-cloned DNA sample derived from the sample sludge, so that a single band derived from each cloned sample is obtained from a plurality of bands derived from the sludge sample. , Which band is supported. Then, since the 16S rDNA of each cloned sample can identify the type of bacteria by nucleotide sequence analysis when cloned as a long 16S rDNA fragment as described above, thus, the bacterial group constituting each band can be identified. A phylogenetic classification is also possible. In this way, it is also possible to analyze and evaluate basic data that is an indicator of the structure of the methanogenic bacterial community.
[0043]
The primers that can be used in the third embodiment include a primer set using a set of oligonucleotides consisting of each nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 2, and each nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4. And a set of oligonucleotides consisting of
[0044]
As a method for extracting and purifying a nucleic acid sample from a sludge sample to apply the present detection method, any known means can be used.
The PCR conditions vary depending on the test sample and the like, and in any case, can be appropriately selected based on common general knowledge in the technical field or empirical rules that can be recognized by those skilled in the art. Preferred PCR conditions are, for example, those described in the following Examples.
[0045]
As used herein, the term "community structure of methanogens" refers to the state of existence that is grasped by the classification and abundance of methanogens that inhabit environmental samples such as methane fermentation sludge. Specifically, it is composed of a relatively small number of members, but it is defined by the taxonomic position and the number of bacteria of each group of methanogens that are phylogenetically diverse. Further, in the present invention, it corresponds to the distribution of the migration band group appearing on the electrophoresis gel (variation in migration distance and thickness of each migration band).
[0046]
The term "environmental sample" or "sludge sample" referred to in the present specification means an organic matter-containing sample having a microbial reaction system such as methane fermentation sludge which is expected to purify or assimilate organic matter, Typically, a BOD of about 2000 mg / L to about 10,000 mg / L and / or a COD of about 6000 mg / L to about 30,000 mg / L.Cr(Oxygen consumption by potassium bichromate) and a sludge sample under high-temperature anaerobic conditions suitable for methane-producing bacteria to perform methane fermentation. The term “nucleic acid sample” refers to a sample containing DNA and / or RNA derived from microorganisms present in the environmental sample and prepared so as to be used for PCR. In particular, 16S rRNA derived from microorganisms is used for PCR. Is a sample that can be used as a template for
[0047]
The expression "base sequences are substantially homologous" as used herein for an oligonucleotide means that the oligonucleotide has homology to a fragment length that can function as a PCR primer or the like.
[0048]
For example, the primer does not necessarily need to be designed from a site having 100% homology depending on the purpose of use and conditions, and may differ by several bases near the 5 ′ end of the primer in the target region. . Even if such a primer is used, the target DNA fragment can be appropriately amplified by examining the annealing temperature and the like. That is, if high specificity is required in practicing the present invention, completely homologous sequence sites (typically, the nucleotide sequences of SEQ ID NOs: 1 to 4) are used and only those sequences are used. It is sufficient to select PCR conditions that do not anneal. On the other hand, if relatively low specificity conditions are allowed, a PCR that uses a sequence several nucleotides different from the base sequence of SEQ ID NOs: 1 to 4 and still anneals is used. What is necessary is just to select conditions.
[0049]
Whether or not the primers are substantially homologous or complementary can be determined, for example, by the above-mentioned probe check program published on the Internet (The RDP-II: Ribosomal Database Project, Maidak BL, Cole JR, Lilburn TG). , Parker CT Jr, Saxman PR, Farris RJ, Garrity GM, Olsen GJ, Schmidt TM, Tiedje JM., Nucleic Acids Res 2001 Jan Jan; 29 (1);
[0050]
Embodiment 1
Primer design
In order to search for a consensus sequence found on 16S rDNA of methanogens, the 16S rDNA nucleotide sequences of various taxonomic methanogens were analyzed from a phylogenetic standpoint.
[0051]
FIG. 1 shows the results of 16S rDNA nucleotide sequence analysis of methanogenic bacteria, in which the nucleotide sequences of the consensus regions found are listed.
As shown in the figure, as a result of the analysis, four target regions named M85F, AP5F, AP7R, and M1350R were selected in order from the 5 'end of the 16S rDNA, and a consensus sequence in each of these regions (see FIG. (The four base sequences arranged at the bottom of the sequence). The primers actually synthesized include a set of oligonucleotides complementary to the M85F and M1350R regions, respectively (described in SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2, respectively), and a pair of oligonucleotides complementary to the AP5F and AP7R regions, respectively. Set of oligonucleotides (described in SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4, respectively). For example, each nucleotide position of the primersMethanobacterium formulamicumThe base number in the 16S rDNA base sequence (1476 bp; GenBank accession number M36508) is as follows.
SEQ ID NO: 1 (M85F): 86-103
SEQ ID NO: 2 (M1350R): 1332-1349
SEQ ID NO: 3 (AP5F-GC): 1167-1188
SEQ ID NO: 4 (AP7R): 1329-1349
[0052]
FIG. 2 shows a phylogenetic tree of methanogenic bacteria. As is apparent from the figure, the primer design is based on 16S rDNA nucleotide sequence information obtained from the details of the phylogenetic tree and from a wide variety of methanogens. In this way, it was intended to have a global specificity covering all species, strains or species levels that could be classified as methanogens.
[0053]
According to a first embodiment, from methane fermentation sludge 16S rDNA Fragment detection and cloning
A DNA sample is extracted and purified from a test sample collected from methane fermentation sludge by QIAamp DNA Tool Mini Kit, and a primer set consisting of a set of base sequences of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2 is directly applied to the DNA sample. The 16S rDNA gene in the DNA sample was subjected to PCR amplification (reaction conditions: 94 ° C for 3 min- (94 ° C for 1 min, 60 ° C for 1 min, 72 ° C for 2 min) x 30 cycle- 72 ° C for 3min-4 ° C). After electrophoresis of the amplified fragment on an agarose gel, a band containing the DNA fragment of the target gene was cut out. The excised DNA fragment was purified, and TA cloning was performed using pT7 Blue T-Vector.
[0054]
Cloning was performed in E. coli DH5α, and color selection was performed using a selective medium containing ampicillin, IPTG, and X-gal. A white colony formed on the selection medium was cultured overnight at 37 ° C. in a liquid LB medium containing ampicillin, and then transformed with QIAGEN QIAprep spin Miniprep Kit. A plasmid was extracted from E. coli DH5α. Using this plasmid as a template, the ABI DNA sequencing Kit (BioDyeTM  After PCR by Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction, an excess Dye terminator was removed using Edge Bio Systems (PERFORMA DTR Gel Filtration Cartridges), and a capillary sequencer was used.
[0055]
The cloned sequences incorporated into these plasmids are representative of the target 16S rDNA fragment derived from the same kind of bacteria, as exemplified in Example 3 below.
[0056]
Using a primer set consisting of a set of base sequences of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2, a DNA sample extracted from a test sample was used as a template to amplify by PCR, and the amplified fragment was subjected to electrophoresis on agarose gel. As a result, a band having a high intensity level was detected at a position showing the same length as the expected length of the amplified fragment of about 1265 bases. In addition, although non-specific amplification was hardly observed, some DNA samples in which about two bands with extremely low intensity levels were detected were also found.
[0057]
As a result of phylogenetic analysis of the obtained cloned sequence, the base sequences were all sequences belonging to Archaea, and no sequence belonging to Bacteria was detected so far. The nucleic acids belonging to Archaea detected so far are as follows:Methanoculleus , MethanospirillumOrMethanosarcina , MethanobacteriumClassified and sequences belonging to a number of other Uncultured archaeons were also positioned at least in clusters belonging to methanogenic bacteria.
[0058]
In this way, the 16S rDNA gene derived from various methanogens in the test sample is specifically and comprehensively obtained by the PCR method using the primer set consisting of a set of base sequences of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2. Amplified and identified.
[0059]
Embodiment 2
According to the second embodiment PCR-DGGE analysis
A DNA sample is extracted and purified from a test sample collected from methane fermentation sludge by QIAamp DNA Tool Mini Kit, and a primer set consisting of a set of base sequences of SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4 is directly applied to the DNA sample. The 16S rDNA gene in the DNA sample was PCR-amplified (reaction conditions: 94 ° C. for 3 min- (94 ° C. for 1 min, 60 ° C. for 1 min, 72 ° C. for 2 min) × 30 cycle-72 ° C. for 3 min-4 ° C.). The product was electrophoresed by the DGGE method. FIG. 3 shows an example of the DGGE migration result.
[0060]
It should be noted that PARCH340f and PARCH519r (Ovreas L, Forney L, Daae FL, Torsvik V: Distribtion of edacton ionica bacterioplankton internatio tank erroneo prékété s i DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA 、 な お DNA な お な お な お) PCR amplification was performed using gel electrophoresis of PCR-amplified gene fragments coding for 16S rRNA, Applied Environmental Microbiology, 63 (9), 3367-3373, 1997). No amplified fragment as described above was obtained. On the other hand, it was obtained by PCR (reaction conditions: 94 ° C. 3 min- (94 ° C. 1 min, 60 ° C. 1 min, 72 ° C. 2 min) × 30 cycle-72 ° C. 3 min) using the primer sets of SEQ ID Nos. 3 and 4. Electrophoresis of the PCR product on an agarose gel revealed a single band with a high intensity level near the expected amplified fragment length of about 200 bases (not shown).
[0061]
In the results of the above-mentioned PCR product electrophoresed by the DGGE method (see, for example, FIG. 3), a large difference was observed in the number of bands between DNA samples from fermenters under different operating conditions, and DNA samples from which a relatively large number of bands were obtained were obtained. And a DNA sample from which only a small number of bands were obtained. The separation between the bands was good.
[0062]
Embodiment 3
Two steps according to the third embodiment PCR-DGGE analysis
As described in Example 1 above, the PCR of the second embodiment was performed using the plasmid into which the 16S rDNA long chain fragment obtained by the PCR of the first embodiment was incorporated as a template. As a result, a short chain portion was selectively amplified from the cloned 16S rDNA long chain inserted in each plasmid to obtain a clone-derived PCR product (reaction conditions: 94 ° C. 3 min- (94 ° C. 1 min, 60 ° C. 1 min, 60 ° C.) 1 min, 72 ° C. 2 min) × 30 cycle-72 ° C. 3 min-4 ° C.). Next, the clone-derived PCR product was subjected to electrophoresis.
[0063]
As a result of subjecting the clone-derived PCR product to agarose gel electrophoresis, a single band having a high intensity level was observed around the expected amplified fragment length, and the clone-derived PCR product was analyzed by DGGE. One band was seen.
[0064]
When the DGGE of the clone-derived PCR product is electrophoresed, the PCR product obtained by using the primer set of the second embodiment also directly on the DNA sample derived from the methane fermentation sludge sample along with the clone-derived PCR product (Hereinafter referred to as “hybrid PCR product”). In this way, it was possible to determine which of the multiple bands actually obtained from the hybrid PCR product the clone-derived PCR product corresponds to.
[0065]
From the results of sequencing and phylogenetic analysis of each 16S rDNA long chain fragment, it was found that bands detected at the same position had almost the same sequence of methanogenic bacteria. In addition, it was found that bands detected at different positions had almost different sequences of methanogens. In this manner, the association between the DGGE results of the cloned DNA samples derived from the respective methanogen groups and the bands separated by DGGE of the mixed DNA samples derived from the methane fermented sludge sample is not problematic. Could be done.
[0066]
In addition, from the results of DGGE on the cloned sample performed as described above, methane generation that could not be detected by DGGE electrophoresis on the hybrid PCR product derived from methane fermentation sludge using the same primer set could not be detected. Bacteria could also be detected.
[0067]
As in this example, the PCR according to the first embodiment, in which the 16S rDNA long chain of the methanogen can be comprehensively acquired and phylogenetic analysis can be efficiently applied, and the base sequence information on the 16S rDNA short chain By combining with the PCR-DGGE of the second embodiment, which can detect the distribution of the migration band reflecting the difference of the above, the type and the number of the methanogenic bacteria in the environmental sample can be clarified.
[0068]
In addition, the various conditions regarding PCR and electrophoresis applied in the above-mentioned Example are as follows.
Figure 2004261124
In the PCR reaction solution composition, each primer contains 1 pmol.
Figure 2004261124
The PCR product used was a solution obtained by extracting DNA from an agarose gel and purifying the solution after the PCR reaction.
[Sequence PCR reaction solution]
The following composition was prepared so that the total amount was 20 μm.
Figure 2004261124
[PCR reaction conditions]
96 ° C 30sec- (96 ° C 10sec-50 ° C 5sec-60 ° C 3min) x 30cycle- (96 ° C 10sec-60 ° C 10sec-72 ° C 1min) x 15 cycle-4 ° C
[DGGE electrophoresis conditions]
Gel used: 10% polyacrylamide gel
Denaturing concentration gradient: 20-70%
Electrophoresis at 200V constant voltage for 3 to 3 1/2 hours
After DGGE electrophoresis, staining was performed with Vista green nucleic acid, and a band was detected with FluorImager 595.
[0069]
Embodiment 4
Analysis of community structure of methanogens
As described above, by developing the PCR amplification product of the 16S rDNA gene derived from all methane-producing bacteria in methane-fermented sludge on a DGGE gel, the basic data obtained by visualizing the community structure of the methane-producing bacteria is obtained. Is obtained. Then, by periodically recording this kind of index data for a specific methane fermentation tank, it is possible to track changes in the type and the number of methanogens in the fermentation tank. Such tracing reveals a correlation between changes in the type and number of methanogens and the observed changes in fermenter conditions.
[0070]
Therefore, the DGGE electrophoresis results according to the present invention can be used as index data for diagnosing the state of the methane fermentation tank and for providing a guide for controlling the operating conditions and the like. That is, this kind of video data is index data that quickly and directly captures changes in the community structure of methanogens that affect the decomposition activity in the fermenter. By acquiring and inspecting such index data, it is possible to observe changes in the actual state of the fermenter (for example, fluctuations in the amount of methane gas generated) that will change following changes in the bacterial community structure. This makes it possible to make quick and accurate situation judgments rather than making judgments from the beginning. For example, when the operation state of the fermenter deviates from an ideal state, the DGGE electrophoresis result obtained by tracking is recorded as index data indicating the deterioration of the state, and then the DGGE electrophoresis result is inspected. At this time, by referring to the index data, deterioration of the state of the fermenter can be predicted in advance, and a countermeasure can be taken.
[0071]
In this example, the amount of methane gas generated in the methane fermentation tank was measured within a certain period, and the migration band obtained by PCR-DGGE was recorded for a DNA sample periodically collected from the methane fermentation tank.
[0072]
FIG. 4 shows the amount of generated methane gas and the corresponding electrophoretic photograph in comparison. As shown in the figure, in the fermenter where the amount of methane gas generated fluctuates, the number and thickness of the bands appearing in each electrophoresis photograph also tend to change over time. It was found that the visual change was visually grasped.
[0073]
In the data of FIG. 4, for example, phase I (12/10 to 2/25) in which methane gas generation is relatively unstable, phase II (3/4 to 5/13) in which it is relatively stable, Stage III (from 5/20) with a sharp rise is seen. When the changes in the amount of generated gas are compared with the migration results at each stage, migration bands having a morphology unique to each stage appear. I knew it was.
[0074]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to comprehensively detect methanogens present in an environmental sample, and obtain index data on the methanogen community structure if necessary. be able to.
[0075]
[Sequence list]
Figure 2004261124
Figure 2004261124

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the results of 16S rDNA nucleotide sequence analysis of methanogens.
FIG. 2 shows a phylogenetic tree of methanogenic bacteria.
FIG. 3 shows an example of a DGGE electrophoresis photograph according to an example.
FIG. 4 shows the amount of generated methane gas and the corresponding migrating band over time.

Claims (6)

下記(a)又は(b)に記載の一組のオリゴヌクレオチドを含むプライマーセット:
(a)配列番号1の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号2の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチド;又は
(b)配列番号3の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号4の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチド。
A primer set comprising a set of oligonucleotides according to (a) or (b) below:
(A) an oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto, and an oligonucleotide having a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 2 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto; or (b) SEQ ID NO: An oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 3 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto, and an oligonucleotide having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 4 or a nucleotide sequence substantially homologous thereto.
メタン生成細菌を検出する方法であって、環境試料中のメタン生成細菌に由来する核酸試料を対象にして、請求項1に記載のいずれかのプライマーセットを使用してPCR法を行い、該PCR法により得られた増幅産物を検出することを含む方法。A method for detecting a methanogen, wherein a PCR method is performed on a nucleic acid sample derived from a methanogen in an environmental sample using any of the primer sets according to claim 1, wherein the PCR is performed. A method comprising detecting an amplification product obtained by the method. 環境試料中のメタン生成細菌に由来する核酸試料を対象にして、請求項1(a)に記載のプライマーセットを使用して第1のPCR法を行い、そして、該第1のPCR法により得られた増幅産物を対象にして、更に請求項1(b)に記載のプライマーセットを使用して第2のPCR法を行うことを含む、請求項2に記載の方法。A first PCR method is performed on a nucleic acid sample derived from a methanogen in an environmental sample using the primer set according to claim 1 (a), and obtained by the first PCR method. The method according to claim 2, further comprising performing a second PCR method on the obtained amplification product using the primer set according to claim 1 (b). 請求項1(b)に記載のプライマーセットを使用してPCR法を行ってから、該PCR法により得られた増幅産物を変性剤濃度勾配ゲル電気泳動にかけることを更に含む、請求項2又は3に記載の方法。The method according to claim 2, further comprising performing a PCR method using the primer set according to claim 1 (b), and then subjecting the amplification product obtained by the PCR method to denaturing gradient gel electrophoresis. 3. The method according to 3. 請求項4に記載の方法による前記電気泳動によって得られる泳動バンドの分布を、前記環境試料に存在するメタン生成細菌の群集構造についての指標データとして使用することを含む、環境試料の評価方法。A method for evaluating an environmental sample, comprising using a distribution of electrophoretic bands obtained by the electrophoresis according to the method according to claim 4 as index data for a community structure of methanogens present in the environmental sample. 前記環境試料は、メタン発酵汚泥である、請求項2〜5のいずれか1項に記載の方法。The method according to any one of claims 2 to 5, wherein the environmental sample is methane fermentation sludge.
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