JP2005245287A - メタン発酵微生物系の診断方法およびプライマー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(a)メタン発酵に係わる細菌の全体に共通な16SrRNAをコードする塩基配列に対応するプライマー。;又は(b)Clostridium属に特異的なプライマー。;又は(c)Methanothermobacter属に特異的なプライマー、が提供される。
【選択図】なし
Description
まず、生物反応系環境試料中のメタン生成活性を定量する方法として、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が試みられている。しかし、F420を持つメタン生成細菌の種類が限られているため、必ずしも総括的なメタン生成活性を示すことができず、また、夾雑物の影響を受けやすいなどの問題がある。
すなわち、分子生物学的手法による検出法を適用する場合、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では、特定の属および/またはグループのみしか検出できず、メタン発酵処理汚泥中に存在するメタン生成に関与する微生物群を十分網羅的に検出することができなかった。
(a)配列番号1の塩基配列(CT110F: AACGCGTGAGCAACCTGCC)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(CT1363R: CTCATGGTGTGACGGGCGGTGTG)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(CT11F: AACGCGTGAGCAACCTGCC)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(CT325GC: GCGCGCGGCGCGCCCCGCGCCCGTCCCGCCGGGCCCGCGGCTCCCGTAGGAGTCTGG)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
(c)配列番号5の塩基配列(168R: CTTCACCGAAACACCCTTCGG)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6の塩基配列(1072R: ATAAGGGTTCCGCTGGTAACTAAG)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。
(d)配列番号7の塩基配列(M85F:ckgctcakta acwcgtgg)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8の塩基配列(M1350R:ggcggtgtgy gcaaggag)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;
(e)配列番号9の塩基配列(AP5F-GC:ggcaacacgc gggctacaat gg)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10の塩基配列(AP7R:ggcggtgtgt gcaaggagca g)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。
本発明は、有機性廃棄物や廃水等を処理するための、メタン発酵処理汚泥等の微生物反応系環境試料(以下、単に「環境試料」または「汚泥試料」とも記述する)中に存在するメタン生成に関与する細菌に由来する16S rRNA遺伝子の存在を、PCR法を介して選択的に検出することを含む、メタン発酵微生物系の診断方法に関する。
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。
本発明の好ましい検出法の第1の実施態様は、上記のようなClostridium属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Clostridium属細菌の16S rRNA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。
本発明の好ましい検出法の第2の実施態様は、上記のようなClostridium属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Clostridium属細菌の16S rRNA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。
本発明の好ましい検出法の第3の実施態様は、上記のようなMethanobacterium 属細菌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Methanobacterium 属細菌の16S rRNAの全長配列のうち、大部分の領域を増幅するように企図された第3のPCR法に基づくものである。ここで、Methanobacterium 属細菌は、メタン生成細菌群に属する古細菌の1種である。
本発明の1つの態様において、本発明のメタン発酵微生物系の診断方法は、メタン生成細菌を網羅的かつ総括的に把握できるプライマーを使用してPCR法を行い、その増幅産物を検出することをさらに含んでいてもよい。この態様によれば、メタン発酵微生物系について、より詳細な診断を行うことが可能になる。より詳細には、上記の(d)および/または(e)のプライマーを使用することにより、メタン生成細菌群に属する古細菌群を網羅的かつ総括的に把握することができる。
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 rRNA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 rRNA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。
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 rRNA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。
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 rRNA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。
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 rRNA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 rRNA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。
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。
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。
[実施例1]
セルロース系廃棄物の高温メタン発酵実験
メタン発酵原料には、生ごみと紙ごみの混合物を用いた。表1に原水性状を示す。有効容積3.5 L、温度55℃の完全混合型メタン発酵装置を用い、表2に示すように、容積当たりの有機物負荷を変動させて、メタンガス発生量の変化を観察した。
第1の実施態様による、メタン発酵汚泥からの16S rRNA遺伝子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 rRNA遺伝子をPCR増幅させ(反応条件:94℃ 3min- (94℃ 1min, 62℃ 1min, 72℃ 2min)×10 cycle- (94℃ 1min, 60℃ 1min, 72℃ 2min)×20 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。
Length Polymorphism)を行い、様々な塩基配列を有するクローン配列を選別し、塩基配列をキャピラリーシークエンサーにより決定した。この一連の操作は、迅速に多様なクローン配列を決定するのに有効な手段であった。
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 rRNA遺伝子をPCR増幅させ(反応条件:94℃ 3min- (94℃ 1min, 68℃ 1min) × 3 cycle-(94℃ 1min, 66℃ 1min, 72℃ 1min) × 3 cycle-(94℃ 1min, 64℃ 1min, 72℃ 1min) × 3 cycle-(94℃ 1min, 62℃ 1min, 72℃ 2min) × 25 cycle-72℃ 3min- 4℃∞)、そのPCR産物をDGGE法により電気泳動した。
第3の実施態様によるMethanobacterium 属細菌の検出
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5及び配列番号6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 rRNA遺伝子をPCR増幅させ(反応条件:94℃ 3min- (94℃ 1min, 64℃ 1min, 72℃ 2min) × 30 cycle- 72℃ 3min- 4℃∞)、そのPCR産物をDGGE法で泳動させた。
〔PCR反応液組成〕
D.W. 31.75μl
10×Ex Taq Buffer 5μl
BSA 5μl
dNTP Mixture 4μl
Forward プライマー 0.5μl
Reverse プライマー 0.5μl
Ex Taq 0.25μl
DNA試料 3μl
Total 50μl
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。
〔Ligation反応液組成〕
D.W. 4μl
T4 DNA Ligase Buffer 1μl
10mM ATP 0.5μl
pT7 Blue T-Vector 1μl
T4DNA Ligase 0.5μl
PCR産物 3μl
Total 10μl
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Total 20μになるように調製した。
プラスミド
(dsDNAで200-500ng) Xμl
M4 プライマー 4μl
RV プライマー 4μl
Pre Mix液(2倍希釈液) 10μl
D.W. Yμl
Total 20μl
〔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。
Claims (7)
- 以下の(a)又は(b)又は(c)に記載の1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;
(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;
(c)配列番号5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6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。 - メタン生成に関与する微生物を検出する方法であって、メタン生成に関与する微生物に由来する核酸試料を対象として、請求項1に記載の少なくとも1組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。
- メタン生成に関与する微生物に由来する核酸試料を対象として、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として、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、請求項2に記載の方法。
- 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さらに含む、請求項2または3に記載の方法。
- 検出対象のメタン生成に関与する微生物が環境試料中に存在するものである、請求項2〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項5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に関与する微生物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。
- 前記環境試料がメタン発酵汚泥である、請求項5または6に記載の方法。
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