地球上の野生微生物のための新しいフィールドガイド

2020年12月18日午前8時

これまでで最も大規模な微生物遺伝子配列データベースは、生命の樹が私たちが知っていたよりもはるかに大きいことを示しています。

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地球上で微生物が生息していない場所はほとんどありません。湖、小川、土壌、そして空気中に生息し、私たちの体にも定着し、熱水噴出孔や酸性の温泉といった極限環境にも生息しています。そして、その数は驚異的で、ほんのひと握りの土壌に生息する微生物の数は、地球上の人口を上回っているのです。

しかし、科学者たちはその大半についてほとんど何も知りません。研究可能な実験室で培養できたのはごく一部に過ぎません。野生微生物をペトリ皿に根付かせるには、骨の折れる作業、熟練した技術、そして多くの幸運が必要です。これは滅多に起こりません。

しかし11月、米国エネルギー省合同ゲノム研究所の研究者たちは、画期的な進歩を発表しました。彼らは、1万8000種以上の微生物から5万以上のゲノムを含む、これまでで最大の微生物カタログを構築したのです。そのうち1万2000種は、これまで記録されたことのないゲノムです。ネイチャー・バイオテクノロジー誌に掲載されたこの研究は、既知の生命樹のこの枝を44%も拡大するものです。

「とてつもなく膨大なデータ量です」と、カリフォルニア大学デービス校の進化生物学者であり、微生物のカタログ化に向けた最初の取り組みの一つである「細菌・古細菌ゲノム百科事典」の創設者でもあるジョナサン・アイゼン氏は語る。「培養され、正式に記載されている微生物は約1万種しかありませんが、実際には10億種いるかもしれません。だからこそ、この研究は非常に重要なのです。」

地球上の生命の新たなスナップショットの中で、科学者たちは多くの潜在的に有用なものを発見しました。その中には、医療への応用が期待される酵素をコードする数千もの新しい遺伝子、数百の新種の古細菌、大気中に炭素を放出する単細胞生物、そしてコクシエラ属細菌の新種が含まれています。コクシエラ属細菌には、B級バイオテロ病原体であるコクシエラ・バーネッティ（家畜から人間に感染し、Q熱と呼ばれる病気を引き起こす、非常に感染力の強い細菌）が含まれます。また、76万種以上のウイルスも発見され、その一部は細菌や古細菌の宿主と関連付けられました。これにより、この目に見えない世界における広大な相互関係がさらに明らかになりました。

「これは世界中の研究者がこれらのデータを使って、興味のある疑問に答えることができる、非常に大きなコミュニティリソースとなることを意図しています」と、ジョイントゲノム研究所のメタゲノムプログラムの責任者で、この新しい研究の主任著者であるエミリー・エロエ・ファドロッシュは言う。

微生物の研究は17世紀に始まりました。オランダの顕微鏡学者アントニー・ファン・レーウェンフックが単眼顕微鏡を覗き込み、隠された世界を発見したのです。しかし、その後数世紀にわたり、科学者たちは地球上の微生物の生物多様性の完全な特定にわずかな進展しか遂げていません。ローレンス・バークレー国立研究所のバイオインフォマティクス専門家で、本論文の筆頭著者であるスティーブン・ネイファック氏によると、微生物の大部分は実験室環境で培養することができず、「従来の方法では多くの生物を研究することがほぼ不可能」なのです。

理由の1つは、微生物が繁殖するのに必要な生物学的スープの条件を正確に再現することが容易ではないことです。たとえば、深海の泥に埋もれたある特定の微生物の秘密を解明するための探求は、日本の研究者チームが12年を費やしました。彼らは、その微生物が生育できる栄養素、ガス、化学物質の最適な組み合わせを見つける必要がありました。汚染された菌株を殺すために4種類の異なる抗生物質の混合物を加える必要があったこの偉業は、科学界で称賛された大きな成果でした。泥から人間を創造したギリシャ神話の神にちなんでプロメテオアーキエウムシントロフィカムと名付けられたこの微生物の研究は、地球上の複雑な生命がどのように進化したかという長年の疑問に答えを出しました。しかし、この種の努力を世界のすべての微生物種について繰り返すことはできないため、科学者たちはより効率的な方法を見つける必要がありました。

かつては、高品質のDNAは動物から直接採取するか、保存状態の良い骨や標本からしか採取できないと考えられていましたが、1980年代から微生物学者たちは、土壌、泥、海水などをスプーンですくって直接DNAの配列解析を行うようになりました。彼らは、生物が排出する環境DNA（eDNA）と呼ばれる遺伝物質を探していました。現在では、微生物のゲノムを得るために実験室で培養する代わりに、eDNAとメタゲノミクスと呼ばれる技術を用いて、廃棄されたDNAの断片を直接配列解析しています。ネイファック氏は、この手法が「科学者が微生物の多様性を研究する方法に真の革命をもたらした」と述べています。

ネイファック氏は、世界中の科学者にDNAシーケンシングサービスを提供するジョイント・ゲノム研究所の研究科学者です。過去15年間、同研究所は深海熱水噴出孔、北極の永久凍土、海泥、ギリシャのラグーン、アフリカの深部金鉱、ヒトおよび動物の腸などを研究する研究者の環境DNA（eDNA）をシーケンシングしてきました。エロエ＝ファドロッシュ氏と彼女の同僚たちは、これらの研究グループの研究成果の集大成であるこのデータベースによって、生命の樹の新たな枝を発見することができました。

公開されているこの新しいデータベースには、「二次代謝物」と呼ばれる有用な化合物を生成する酵素をコードする新たな遺伝子の宝庫が含まれています。これらは、ケシが生成するアヘンやペニシリウム菌が生成するペニシリンなど、自然界に存在する治療効果を持つ小さな有機化合物です。土壌細菌もまた、強力な治療薬の供給源です。例えば、土壌細菌株のストレプトマイセスは、数多くの抗生物質、さらには抗がん剤を生み出してきました。実際、抗生物質クロラムフェニコールやスペクチノマイシンなど、医薬品として開発されたその化合物の中には、現在、世界保健機関によって必須医薬品とみなされているものもあります。

「私は個人的に、そこにどんな多様性があるのか、そしてそれをどのように分類できるのかに非常に興味を持っています」とエロエ＝ファドロッシュ氏は語る。エネルギー省の研究者として、彼女は特に、これらの微生物が環境中の生物地球化学的プロセスと炭素循環において果たす役割に興味を持っている。土壌に生息する微生物は有機物を分解し、大気中の温室効果ガスの一因となる二酸化炭素とメタンを放出する。

微生物生態学における今、大きな疑問は、地球温暖化が進み、永久凍土が解け始めると、北極の永久凍土に生息する微生物に何が起こるのかということです。微生物は目覚め、そこに埋もれた凍った植物や動物を餌として、大気中に大量の炭素を放出するのでしょうか？「微生物叢は気候変動にどう反応するのか、とよく聞かれます。しかし、私たちはこれらの疑問に答えるのに苦労しています。なぜなら、どの微生物がそこに生息し、何をしているのかをまだ解明できていないからです」と、砂漠研究所の微生物生態学者アリソン・マレー氏は言います。マレー氏は今回の研究には関わっていません。

このカタログは、メタン生成に関与する遺伝子を持つ複数の新種の微生物が含まれているため、その理解に向けた重要な第一歩となります。さらに、エロエ＝ファドロッシュ氏によると、二酸化炭素をメタンに還元してメタンを生成する遺伝子を持つ多くの古細菌を発見したとのことです。彼女は、これらの微生物を何らかの形で大気中の炭素を隔離する将来的な可能性に期待を寄せています。

テネシー大学ノックスビル校の微生物学者カレン・ロイド氏は、このプロジェクトには関与していないが、この新たな遺伝子配列の源は、有用な生物学的分子の選択肢を広げる可能性において「驚異的」だと述べた。ロイド氏にとって、この研究は「微生物界の全容を私たちに示し、微生物の世界は広大で、未だ発見されていない部分が多いことを示している」。

熱心なバードウォッチャーであるアイゼン氏は、このデータベースを地球上の未開の微生物に関するフィールドガイドの初稿に例えています。しかし、これはこれらの生物の機能と生態系における重要性を理解するための第一歩に過ぎないと彼は言います。次のステップは、それらの生物学的側面について学ぶことです。

エロエ＝ファドロシュ氏も同意見です。「微生物の多様性をより正確にカタログ化することで、生命の樹全体にコード化されている様々な代謝や独自の機能をより正確に特定できるようになることを期待しています」と彼女は言います。

更新 2020 年 12 月 18 日午後 6 時 23 分 (EST): この記事は、Stephen Nayfach 氏の名前のスペル、Emiley Eloe-Fadrosh 氏の役職、および二次代謝物の説明を修正するために更新されました。

2020年12月18日午前10時45分EST更新：この記事は、地球上の微生物の数と人口をより正確に比較し、既知の微生物の割合の変化、発見されたコクシエラの種、科学者が宿主に関連付けたウイルスの数、日本の研究チームが使用した抗生物質の数、科学者がeDNAの配列解析を開始した10年、およびアリソン・マレーが所属する研究所の名前を修正するために更新されました。

2020年12月22日午後12時45分（東部標準時）更新：この記事の以前のバージョンでは、数十種の新種の古細菌が発見されたとお伝えしていました。正確には、数百種が発見されました。

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