地球上の生命は海洋細菌のネットワークに依存している

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

プロクロロコッカスは非常に小さく、人間の親指の太さに匹敵するには約1000個並べなければなりません。海はプロクロロコッカスで溢れています。この微生物は地球上で最も豊富な光合成生物であると考えられており、大気中の酸素の10～20%というかなりの割合を生成しています。つまり、地球上の生命は、約300兆個（3×10の^27乗）もの小さな個々の細胞の働きに依存しているのです。

生物学者はかつて、これらの生物を計り知れない広大さの中で漂流する孤立した放浪者と考えていました。しかし、プロクロロコッカスの個体群は、誰も想像できなかったほど密接につながっているのかもしれません。彼らは遠く離れた場所と会話を交わし、海を情報と栄養の膜で満たしているだけでなく、私たちが自分たちのプライベートな内部空間だと思っていた空間を他の細胞の内部と繋いでいるのかもしれません。

スペインのコルドバ大学で、つい最近、顕微鏡でシアノバクテリアの画像を撮影していた生物学者たちが、細長い管状の細胞が隣の細胞を掴んでいるのを発見した。その画像を見て、彼らは思わず目を丸くした。これは単なる偶然ではないと悟ったのだ。

「シアノバクテリアが互いにつながっていることに気づきました」と、同研究所の微生物学者マリア・デル・カルメン・ムニョス＝マリン氏は述べた。プロクロロコッカスの細胞同士だけでなく、近くに生息するシネココッカスという別の細菌ともつながりがあった。画像では、銀色の橋が3つ、4つ、時には10個以上の細胞を繋いでいる様子が確認できた。

ムニョス＝マリン氏は、これらの謎の構造の正体について予感を抱いていました。一連の検査を経て、彼女と同僚は最近、これらの橋がバクテリアナノチューブであることを報告しました。わずか14年前に一般的な実験用バクテリアで初めて観察されたバクテリアナノチューブは、細胞膜でできた構造で、2つ以上の細胞間で栄養素や資源を移動させます。

この構造は過去10年間、微生物学者たちの興味を惹きつけ、論争の的となってきました。微生物学者たちは、これらの構造が形成される原因と、ネットワーク化された細胞間を何が移動しているのかを解明しようと研究を重ねてきました。ムニョス＝マリン氏の研究室から得られた画像は、地球上の光合成の大部分を担うシアノバクテリアにおいて、これらの構造が初めて確認されたことを示しています。

彼らは細菌に関する根本的な概念に疑問を投げかけ、次のような疑問を提起しています。「プロクロロコッカスは周囲の細胞とどれだけの細胞を共有しているのか？」そして、プロクロロコッカスや他の細菌を単細胞と考えるのは本当に理にかなっているのか？

完全に管状

多くの細菌は活発な社会生活を送っています。中には、2つの細胞を繋ぎDNAの交換を可能にする、毛状のタンパク質からなる線毛（ピリ）を形成するものや、バイオフィルムと呼ばれる密集したプラークを形成するものもいます。また、多くの細菌は、DNA、RNA、その他の化学物質を含む小胞と呼ばれる小さな泡を放出し、まるでボトルに入ったメッセージのように、偶然それを捉えた細胞にメッセージを送ります。

ムニョス＝マリン氏と、コルドバ大学の微生物学者ホセ・マヌエル・ガルシア＝フェルナンデス氏、大学院生のエリサ・アングロ＝カノバス氏を含む同僚たちが、培養皿の中のプロクロロコッカスとシネココッカスを拡大観察する際に探していたのは、まさに小胞でした。ナノチューブと思われるものを発見した時、彼らは驚きました。

ナノチューブは、細菌のコミュニケーションに関する科学者の理解に最近加わったものである。2011年、エルサレム・ヘブライ大学のシガル・ベン＝イェフダ博士とポスドクのギャネンドラ・ドゥベイ博士は、枯草菌（Bacillus subtilis）間の膜でできた小さな橋の画像を初めて発表した。これらのチューブは活発に物質を輸送していた。研究者らは、ネットワークの1つの細胞で生成された緑色蛍光タンパク質が他の細胞に素早く浸透することを示した。彼らは、単独では細菌の膜を通過できない小分子であるカルセインでも同じ結果を得た。これらの細胞は穏やかに並んで存在していたわけではなく、内部空間はつながっており、独立した住居というよりはむしろ家の中の部屋のようなものだった。

それは驚くべき発見でした。このニュースは、他の生物学者たちに自らの細胞画像を再検討させるきっかけを与えました。すぐに、枯草菌だけがナノチューブを生成する生物種ではないことが明らかになりました。大腸菌をはじめとする多くの細菌の集団においても、少量ながらも一定の割合でナノチューブが見られたのです。実験では、科学者たちはナノチューブから細胞が芽生えてくる様子を観察し、それらが何を運ぶのかを調べました。細胞から細胞へとこれらの橋を渡って移動していたのは、タンパク質の基本構成要素であるアミノ酸、酵素、毒素などの物質でした。生物学者たちは現在、細菌はおそらくずっと前からこれらの構造を作っていたのだろうと考えています。科学者たちは単にそれらに気づかなかった、あるいはその重要性を理解していなかっただけなのです。

バクテリアにナノチューブを作らせるのは、誰もが簡単にできるわけではない。特に、チェコ科学アカデミーのあるグループは、細胞が死にかけている時にのみナノチューブを観察できた。彼らはナノチューブを「細胞死の兆候」と示唆したが、この構造が細胞の正常な生物学的機能において本当に重要な部分であるかどうか疑問を投げかけた。しかしその後、さらなる研究により、健康な細胞が実際にナノチューブを成長させることが注意深く実証された。これらの結果は、バクテリアがこの段階に進むには、特定の条件が満たされなければならないことを示唆している。それでもなお、「ナノチューブはどこにでもあると思います」とベン＝イェフダ氏は述べた。

最新の研究結果は特に目を見張るものがあります。なぜなら、プロクロロコッカスとシネココッカスは、一般的な皿の中の細菌ではないからです。彼らは、水流によって脆いチューブが破断される可能性が十分に考えられる外洋という、極めて乱流の多い環境に生息しています。さらに、彼らは光合成を行うため、生存に必要なエネルギーのほとんどを太陽光から得ています。チューブネットワークを介した取引は、一体なぜ必要​​なのでしょうか？海洋細菌にもナノチューブが観察されていますが、これらの微生物は光合成を行いません。彼らは周囲の環境から栄養分を吸収するため、近隣の細菌と物質を交換する方が明らかに有益であると考えられます。

そのため、ムニョス＝マリンとアングロ＝カノバスがナノチューブを見たとき、最初は懐疑的でした。細胞の準備方法や画像の撮影方法に何らかの偶然があり、それが天然の構造と勘違いされているのではないかと疑っていたのです。

「画像に写っているものが本当に生理的なものであり、人工物ではないことを確かめるために、私たちは多くの時間を費やしました」とガルシア＝フェルナンデス氏は述べた。「海洋シアノバクテリアの分野では、この結果は非常に衝撃的だったので、私たちは驚きながらも、完全に確信を得たいと思いました。」

研究チームは、細胞を4種類の全く異なる画像化装置で観察した。最初に構造を発見した際に使用していた透過型電子顕微鏡だけでなく、蛍光顕微鏡、走査型電子顕微鏡、そして生きた細胞が素早く移動する様子を画像化する画像化フローサイトメーターも用いた。研究チームはプロクロロコッカスとシネココッカスをそれぞれ単独で、そしてそれらが共存する培養液中で観察した。さらに、死細胞と生細胞を観察した。さらに、カディス湾から採取した新鮮な海水サンプルも観察した。すべてのサンプルにおいて、細胞の約5%を繋ぐ橋を発見した。ナノチューブは人工物ではないようだった。

次に、これらのリンクが実際にナノチューブであるかどうかを確認するため、ベン＝イェフダとデュベイが報告した緑色蛍光タンパク質とカルセインを用いた、現在では定番となっている実験を、研究チームは繰り返し行った。ネットワーク化された細胞は光り輝いた。また、研究チームはリンクがタンパク質ではなく膜脂質でできていることも確認した。タンパク質であれば、線毛の存在が示唆される。こうして研究チームは、自分たちが観察していたのが細菌ナノチューブであることを確信した。

これらのチューブは地球上で最も豊富な生物の一部を繋いでいることに彼らは気づいた。そして、それはすぐにあることを明らかにした。研究者たちは今もそのことを頭の中で考えている。

「今世紀初頭、海洋の植物プランクトンについて語るとき、孤立した独立した細胞について考えていました」とガルシア＝フェルナンデス氏は述べた。「しかし今では、今回の研究結果だけでなく、他の人々の研究結果からも、これらの研究者たちは単独で研究しているわけではないことを考慮する必要があると思います。」

携帯電話ネットワーク

広大な海に漂うシアノバクテリアが力を合わせようとするのには、それなりの理由があるのか​​もしれない。ドイツのオスナブリュック大学の微生物生態学者、クリスチャン・コスト氏（今回の研究には関わっていない）によると、シアノバクテリアのゲノムは不思議なほど小さいという。プロクロロコッカスは、既知の自由生活型光合成細胞の中で最も小さなゲノムを持ち、遺伝子数はわずか約1,700個だ。シネココッカスもそれに劣らない。

細菌においては、ゲノムが小さいため、かさばるDNAを維持する負担が軽減されますが、同時に、近隣の生物から多くの基本的な栄養素や代謝産物を奪い取る必要もあります。合理化されたゲノムを持つ細菌は、自らが必要なものを生み出し、また自らが生み出したものを必要とする生物と相互依存的なコミュニティを形成することがあります。

「これは、すべての代謝産物を同時に生成しようとする細菌よりもはるかに効率的です」とコスト氏は述べた。「さて、液体中で生きている場合の問題は、これらの代謝産物を他の細菌とどのように交換するかということです。」

ナノチューブが解決策となるかもしれない。この方法で輸送された栄養素は、流れに流されたり、希釈されて失われたり、フリーローダーに消費されたりしない。コスト氏らはコンピューターシミュレーションで、ナノチューブが細菌群間の協力関係の発達を促進できることを発見した。

さらに、「この（新しい）論文は、この伝達が種内だけでなく種間でも起こっていることを示しています」と彼は述べた。「これは非常に興味深いことです。」以前の論文でも、彼と同僚はナノチューブで繋がれた異なる種の細菌にも注目していた。

ロンドン大学クイーン・メアリー校の微生物学者コンラッド・マリノー氏は、こうした協力関係はおそらく人々が考える以上に一般的であり、外洋のような、細菌が必ずしもナノチューブを形成できるほど近くにいるとは限らない環境においてさえもそうであると述べた。

バクテリアは単純な単細胞生物だとよく言われます。しかし、バクテリアのコロニー、バイオフィルム、そして様々な微生物のコンソーシアムは、複雑な工学的・行動的偉業を共同で成し遂げることができ、時には多細胞生物に匹敵することもあります。「私は時々、気分が乗っている時に、人々を説得しようとします。『あなたも私もバイオフィルムです』と」とマリノーは言います。もし海がナノチューブと小胞でコミュニケーションをとるシアノバクテリアで満ちているなら、この資源の交換は、大気中の酸素量や海に隔離された炭素量といった根本的なものに影響を与える可能性があります。

コスト氏、ベン＝イェフダ氏、そしてマリノー氏は、今回の論文の発見が興味深いものであることに同意している。著者らは、観察している構造が実際にナノチューブであることを確認するために、あらゆる適切な試験を行ったと述べている。しかし、この発見の重要性を説明するにはさらなる研究が必要だ。特に、プロクロロコッカスとシネココッカスが野生下で互いに何を共有しているのかという大きな疑問が残っている。光合成によってこれらの細菌は太陽からエネルギーを得るが、窒素やリンなどの栄養素は環境から取り込む必要がある。研究者らは、海洋における栄養塩の流れを専門とするストックホルム大学のレイチェル・アン・フォスター氏と共同で、ネットワーク化された細胞内のこれらの物質を追跡するための一連の実験に着手している。

もう一つの疑問は、細菌がどのようにして、そしてどのような条件下でこれらのチューブを形成するのかということです。チューブは個々の細胞よりもわずかに長く、特にプロクロロコッカスは水柱の中で広がると考えられています。ムニョス＝マリン氏と彼女のチームは、ネットワークを形成するために必要な細菌の濃度について興味を持っています。「これらの独立した細胞が、これらのナノチューブを形成するのに十分な頻度で互いに接近することは可能でしょうか？」とガルシア＝フェルナンデス氏は尋ねました。今回の研究では、野生の細胞の間でナノチューブが形成されることが示されていますが、正確な条件は不明です。

25年前、海洋シアノバクテリアの研究を始めた頃、細菌のコミュニケーションについて人々がどう考えていたかを振り返り、ガルシア＝フェルナンデス氏は、この分野が大きく変化したことを実感している。かつて科学者たちは、広大な空間に無数の個体が互いに寄り添いながら漂い、近隣の種と資源をめぐって競争していると考えていた。「異なる種類の生物間で物理的なコミュニケーションが可能であるという事実は、海における細胞の働きに関するこれまでの多くの考えを覆すものだと思います」と彼は語った。海は、誰もが認識していたよりもはるかに相互につながった世界なのだ。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得 て転載されました。