科学者らが20万種類近くの海洋ウイルスを発見

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ビーチで泳ぎながら海水を一口飲み込むたびに、北米の人口とほぼ同じ数のウイルスを飲み込んでいることになります。

しかし、海洋ウイルスの驚異的な豊富さと、これらの感染性因子が炭素循環などの地球規模のプロセスにおいて重要な役割を果たしているように見えるにもかかわらず、科学者たちは、そこに存在するウイルスの多様性について、まだほとんど何も分かっていません。2015年、ある研究チームが海洋に5,476種類のウイルスが存在することを記録しました。2016年には、同じ研究チームがその数を15,222種類に更新しました。

クアンタマガジン

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。

しかし、今週Cell 誌に掲載された研究によると、その数は 195,728 の異なるウイルス集団に急増し、12 倍以上に増加しています。

「これは実に驚くべき研究です」と、ノースカロライナ大学グリーンズボロ校の微生物ゲノム学者、ルイ＝マリー・ボベイ氏は述べた。ボベイ氏は今回の研究には関わっていない。「海洋の大部分におけるウイルスの生態については、私たちはほとんど何も知りません。今回のデータは、これまでに収集されたデータの中でも、最も印象的で、かつ世界規模のデータと言えるでしょう。」

この12倍の飛躍は、野心的な地球規模のサンプル採取遠征と、より高度なゲノム解析によって可能になりました。
地球の70%は海洋で覆われていますが、数年前まで海洋ウイルスの多様性に関する知識のほとんどは、十分に研究された少数の地域から得られていました。しかし、タラ号海洋プロジェクトによって状況は一変しました。このプロジェクトは、世界中でサンプル採取を行い、海洋微生物とウイルスの多様性に関するより包括的な目録の作成を目指しました。スクーナー船タラ号は海洋を航行し、表層から深層まで、そして極地から極地までサンプルを採取してきました。今回の研究では、2015年と2016年の研究には使用されなかった北極圏の43地点からのサンプルも含まれています。

新たなウイルス集団の約40%は、北極圏で新たに採取されたサンプルに由来するものでした。残りは、以前の研究で使用されたタラ号のサンプルの再解析から得られました。「DNAの断片からウイルスゲノムを組み立てるために使用するアルゴリズムは、格段に向上しました」と、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の微生物生態学者で、本研究の筆頭著者の一人であるアン・グレゴリー氏は述べています。

グレゴリー氏と同僚たちは、断片からDNA鎖をつなぎ合わせるだけでなく、観察している多様なウイルスゲノムを分類する方法も確立する必要がありました。ウイルスは無性生殖し、互いに、そして宿主とDNAを頻繁に交換するため、ウイルスの「種」を定義することは議論の余地があります。ウイルスは独立して複製するために必要な機構を持たないため、一部の生物学者はウイルスを完全に「生きている」とは考えていません。

グレゴリー氏は、ウイルスを種ではなく「集団」に分類しました。集団内での遺伝子流動は、「ウイルスの集団間よりも集団内での遺伝子流動が大きい」としています。配列解析されたウイルスがDNAの少なくとも95%を共有している場合、グレゴリー氏はそれらを同じ個別の集団のメンバーと呼びました。

この方法により、約20万種の集団が得られた。そのうち約90%は既存のウイルス分類法に当てはまらず、科学界にとって全く新しいものとなった。ウイルスは伝統的に、ヒトのHomo属やブドウ球菌のStaphylococcus属のような属に分類されないものの、グレゴリー氏は、採取した集団の多様性は、数多くの新属に相当すると結論付けた。

さらに研究者らは、温度と深度に基づいて、北極、南極、温帯および熱帯の表層、温帯および熱帯の地下、深海という異なる海洋生態域にマッピングされた5つの群集レベルのウイルスグループの存在を推測しました。これらの群集のゲノム内に、研究者らは各生態域への遺伝的適応の証拠を発見しました。「温度は群集構造の最大の予測因子でした」と、解析を共同で主導したオハイオ州立大学の大学院生、アハメド・ザイード氏は述べています。ザイード氏は、温度の変化は異なる種類の微生物宿主群集を支え、ウイルスはそれに応じて適応すると説明しました。

世界的に見ると、ウイルスの生物多様性の観察パターンは、既存の生態学的傾向と多少矛盾している。「赤道上で多様性が最も高く、極地に向かうにつれて低くなるというパラダイムがあります」とザイード氏は述べた。研究者たちは確かに赤道上で多様性の増加を発見したが、北極圏でも驚くほどの多様性を発見した。

「北極が生物多様性のホットスポットであることに驚きました。気候変動の影響で地球上で最も急速に変化している海域の一つである北極海域において、これは特に重要な意味を持ちます」と、オハイオ州立大学の微生物学者で本研究の筆頭著者であるマシュー・サリバン氏は述べています。グレゴリー氏は、北極海がなぜこれほど多様性に富んでいるのかを理解するにはさらなる研究が必要だとしながらも、この冷たい海域に生息する宿主細胞が小さいことが関係しているのではないかと考えています。「宿主細胞が小さいということは、宿主の数が増えることを意味し、ウイルスが多様化する機会が増えることを意味するかもしれません。」

研究者たちが数年後に再び大きな種類の増加を期待しているかどうかについては、サリバン氏はそうではないと考えている。「まだ発見すべきものがあると思うか？確かにそうだ。しかし、現時点ではこの方法で可能な限り豊富なウイルスを捕獲できたと期待している」とサリバン氏は述べ、「少なくとも、全く異なる選択圧を持つ全く新しい環境に足を踏み入れるまでは」と付け加えた。

ブリティッシュコロンビア大学の微生物生態学者、カーティス・サトル氏によると、ウイルスは地球規模の生物地球化学循環において重要な役割を果たしており、その中には地球の生物圏と大気圏の間を炭素が移動する炭素循環も含まれる。「私は長年、海洋ウイルスが極めて重要であると主張してきました」と、今回の研究には関与していないサトル氏は述べた。「こうしたデータを社会に広めることは、地球規模のプロセスにおけるウイルスの役割を理解する上で非常に重要です。」

サトル氏は、海洋は現在、人間が排出する二酸化炭素の約半分を吸収しており、その吸収量は増加し続けていると述べた。ウイルスは飽和度に影響を与える。サトル氏によると、世界中の細菌の20～40%が毎日ウイルスによって死滅しているという。細菌がウイルス感染によって死滅すると、その細胞壁が爆発する。「細菌を構成する炭素はすべて海洋に放出されます」と彼は述べ、その一部は最終的に海の深部に隔離される。

サトル氏によると、一部の科学者は、将来的にはウイルスが炭素循環を微調整し、大気中の二酸化炭素量を削減するために利用される可能性があると推測している。感染症治療における抗生物質の代替としてファージ療法を研究する中でウイルスに興味を持ったザイード氏は、この潜在的にリスクのある地球工学計画を「環境のためのファージ療法」と呼んでいる。

このウイルスの発見が実用化されるかどうかはさておき、ミシガン大学の微生物生態学者メリッサ・デュハイム氏は、この新たな研究の「面白さ」に興奮している。「このような新しいデータを見始めると、まるで火星に着陸して初めて辺りを見渡すような気分になります」とデュハイム氏は語る。「ただし、そこにはこれまで見たことのない小さな生き物たちが、私たちを見つめている火星があるのです」

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