細胞が深海の圧力に抵抗する仕組み

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

海の底は冷たく、暗く、極度の圧力にさらされています。それは、地上に住む私たちの生理機能には適さない場所です。最深部では、水深36,200フィートの海水による圧力は、私たちの体の1平方インチあたりにかかる象の体重よりも大きいのです。しかし、地球の最深部には、こうした過酷な環境に特有の生命が生息しています。科学者たちは、アンコウやブロブフィッシュといった大型動物の体がどのように圧力に耐えられるよう適応してきたかを研究してきました。しかし、細胞や分子が数千フィートもの海水の圧迫と押し潰しの重量にどのように耐えられるかについては、ほとんど分かっていません。

「深海に生息する動物は、表層水に生息する動物とは異なります」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校で細胞膜の生化学を研究するイタイ・ブディン氏は述べた。「彼らは明らかに生物学的に特殊化しています。しかし、その特殊化を実際に決定づけているものが何なのか、分子レベルではほとんど分かっていません。」

Science誌に最近掲載された研究で、研究者たちは細胞が深海での生活にどのように適応してきたかをこれまで以上に深く掘り下げて調査しました。2018年、ブディン氏は深海生物学者のスティーブ・ハドック氏と出会い、細胞膜、特に膜を構成する脂質分子が、動物がこのような高圧環境でどのように繁栄してきたかを説明するのに役立つかどうかについて共同で調査を行いました。

その答えを見つけるため、彼らはハドック氏がカリフォルニア州モントレー湾水族館研究所（MBARI）で研究している、単純で透明な動物であるクシクラゲに着目しました。学生のジェイコブ・ウィニコフ氏率いるこの学際的な研究チームは、深海に生息するクシクラゲの細胞膜が、浅瀬に生息するクシクラゲとは全く異なる形状の脂質分子で構成されていることを発見しました。深海に生息するクシクラゲの脂質の4分の3は、プラズマローゲンという湾曲した脂質の一種で、表層動物では珍しいものです。深海の圧力下では、この湾曲した分子は、強固でありながらダイナミックな細胞膜を支えるために必要な形状に正確に適合します。

「これは素晴らしい論文です…非常に深い意味を持つものです」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校で微生物が深海と高圧下で生命を維持する仕組みを研究しているダグラス・バートレット氏は述べた。バートレット氏は今回の研究には関わっていない。「この論文は、深海動物、そしておそらく深海微生物や様々な生物の脂質が、圧力に特異的な形で適応している仕組みについて、新たな説明を与えてくれるのです。」

「彼らは、大部分が未開拓だった領域を調査している」と、コーネル大学で分子生物物理学を研究するソル・グルーナー氏は述べた。同氏はこの研究の相談を受けたが、共著者ではなかった。

プラズマローゲン脂質はヒトの脳にも存在し、深海の膜におけるその役割は細胞シグナル伝達の様相を解明する上で役立つ可能性があります。より直接的な側面として、この研究は、深海の極限環境に生命が適応してきた新たな方法を明らかにしています。

膜の中の狂気

地球上のあらゆる生命の細胞は、脂質と呼ばれる脂肪分子に囲まれています。試験管に脂質を入れ、水を加えると、脂質は自動的に背中合わせに並びます。脂質の脂っぽくて水を嫌う尾部は混ざり合って内層を形成し、水を好む頭部は薄い膜の外側部分を形成します。「ちょうど皿の中で油と水が分離するのと同じです」とウィニコフ氏は言います。「これは脂質に共通するものであり、脂質が機能する理由なのです。」

細胞にとって、外側の脂質膜は物理的な障壁として機能し、家の外壁のように構造を保って細胞内部を閉じ込めます。しかし、この障壁は強固すぎるわけにはいきません。なぜなら、膜はタンパク質で覆われており、タンパク質は膜を越えて分子を運ぶなど、様々な細胞機能を果たすためにある程度のゆらぎを必要としているからです。また、細胞膜は時折、剥がれて化学物質を環境に放出し、その後再び融合することもあります。

膜が健全で機能的であるためには、頑丈で、流動的で、同時に動的でなければなりません。「膜は安定の瀬戸際でバランスを保っています」とウィニコフ氏は言います。「非常に明確な構造を持っているにもかかわらず、両側のシートを構成する個々の分子は常に互いの周りを流動しています。これは実際には液晶なのです。」

この構造の新たな特性の一つは、膜の中央部分が温度と圧力の両方に非常に敏感であることだとウィニコフ氏は述べた。これは、タンパク質、DNA、RNAといった他の生体分子よりもはるかに敏感だ。例えば、脂質膜を冷やすと分子の動きが遅くなり、「最終的には互いに固まってしまいます」とウィニコフ氏は述べた。まるでオリーブオイルを冷蔵庫に入れたときのように。「生物学的に、これは一般的に良くないことです」。代謝プロセスが停止し、膜に亀裂が生じて内容物が漏れ出すことさえある。

これを避けるため、多くの寒冷適応動物は、低温下でも液晶の流れを維持するために、わずかに構造の異なる脂質分子の混合物で構成された膜を持っています。高圧は膜の流れを遅くするため、多くの生物学者は深海の膜も同様の構造をしていると推測していました。

しかし、これらの研究者たちは全体像を把握していなかったことが判明した。深海の膜が流れに逆らって進化してきたことを明らかにするには、生化学者と海洋生物学者の予想外の協力と、より高度な技術が必要だった。

深く掘り下げる

クシクラゲ類、あるいは有櫛動物は、脆弱な体を持つ貪欲な捕食者です。櫛と呼ばれる列に並んだ繊毛を持つ最大の動物であり、幅広い獲物を捕食します。遺伝学的証拠は、動物系統樹から分岐して独自の進化の道を歩んだ最初の生物であることを示唆しています。有櫛動物はクラゲに似た点もありますが、実際には有櫛動物よりもヒトに近い関係にあります。そして、表層水から海溝、熱帯から極地まで、あらゆる海洋生息地にうまく定着しています。

これほど広範囲に生息するグループであれば、適応力が高いと予想される。実際、深海に生息するクシクラゲ類は、海面近くに生息するクシクラゲ類とは構造が異なっている。「深海に生息するクシクラゲ類を集めて海面に引き上げると、あっという間にバラバラになってしまうんです」とバートレット氏は言う。「溶けてしまうんです。実に劇的な現象です」。同様に、浅瀬に適応したクシクラゲ類も深海にたどり着くと、繊毛の動きがどんどん速くなり、最終的には死んでしまう。しかし、両者を分ける分子レベルでの違いは、これまで誰も解明していなかった。

2018年、クシクラゲの専門家であるハドックは、真核生物の起源に関する会議に出席しました。ブディンが細胞膜の温度応答に関する研究を発表するのを見た後、彼は脂質の専門家であるブディンにアプローチしました。ハドックには、極度の圧力への適応を研究したいと考えていたウィニコフという大学院生がいました。脂質が圧力に敏感であることは知られていたため、細胞膜は研究の第一標的でした。二人は共同研究を行うことを決めました。

ハドック、バディン、ウィニコフの3人は、まず海のさまざまな場所でクシクラゲを採集しました。スキューバダイビングの装備を身につけたウィニコフは、モントレー湾の表層水からクシクラゲを丁寧に瓶に集めました。MBARIの海洋調査船から深海ロボットの操作を手伝い、水深12,000フィート（約3,600メートル）の深海からクシクラゲを採集しました。深海の低温の影響をコントロールするため、彼とバディンは、それぞれ独自の調査航海に出ていた友人たちに依頼し、極寒の北極海から表層クシクラゲを採集しました。チームは合計で17類縁種、66匹のクシクラゲを採集しました。

プロジェクトの分子段階の作業開始時期が迫っていた頃、パンデミックが発生していた。そこでウィニコフは自宅のガレージで実験を準備した。蛍光分光計を用いて、採取した生物の膜物質の小さな塊が入った試験管に紫外線を照射した。その結果に彼は困惑した。深海の膜は温度を上げても流動性を高めなかったのだ。これは脂質膜に共通する反応と考えられていた。

そこで彼とブディンは、コーネル大学の粒子加速器の元所長であるグルーナーに相談した。グルーナーは、膜の中で何が起こっているのかを本当に知りたいのであれば、強力で高エネルギーのX線が必要だと言った。そして、彼は最適なX線源を知っていた。

プレッシャーの下で

コーネル大学のメイン運動場の地下50フィート（約15メートル）にシンクロトロンが埋設されている。これは、高周波電場と低周波磁場を用いて荷電粒子を加速する粒子加速器である。グルーナー氏が設立に尽力したこの施設の一部は、深海の細胞膜の研究のために設計されたと言っても過言ではない。2020年に開設された小角X線散乱装置は、脂質などの分子の微細な形状や特徴を識別できるだけでなく、分子にかかる圧力を増減させることもできる。

研究チームは、施設での限られた時間を最大限に活用するため、夜遅くまで作業に耐えなければならなかったため、プレッシャーも感じていました。脂質サンプルに照射した強力なX線は、深海から採取した細胞膜のこれまでで最も鮮明な画像を明らかにしました。深海のクシクラゲの膜脂質は、標準大気圧下では、表層細胞膜よりも曲線的な形状をしていました。特に、プラズマローゲンと呼ばれる脂質群の産生が著しく増加していました。

「深海に生息するクシクラゲでは、プラズマローゲンが脂質全体の4分の3を占めることもあります。しかも、これは動物の体全体の膜脂質全体についての話です。これはちょっと信じられない話です」とウィニコフ氏は述べた。「間違いではないことを確認するために、何度も確認しました」

プラズマローゲンは表面では、小さなリン酸基を持つ頭部と、バドミントンのシャトルコックに似た、幅広で広がった一対の尾部を持つと、彼は述べた。しかし、高圧下では、これらの尾部が互いに圧縮され、強固でありながらダイナミックな構造を形成する。

「脂質は最初から異なる形状をしています」とブディン氏は述べた。「そのため、圧縮しても、私たちの細胞に見られるような理想的なゴルディロックス形状を維持しますが、極度の圧力下でも維持されます。」ブディン氏とウィニコフ氏は、この新しい変化を「恒常曲率適応」と名付けました。

プラズマローゲン膜を深海に持ち込むことは、バネを押し下げるようなものだとバートレット氏は述べた。表面でバネの張力が解放されると、膜は劇的に伸びる。「その時、細胞、そして膜が崩壊していくのが想像できるでしょう」。一方、脂質がよりまっすぐな表面膜を深海に持ち込むと、膜は過度に圧縮され、硬くなりすぎて正常に機能しなくなる。

注目すべきことに、湾曲したプラズマローゲンは、北極の冷たく浅い海域に生息するクシクラゲには存在しなかった。「膜の構成により、この生物は特定の水圧範囲にほぼ制限されている」と、オーストラリアのベイカー心臓糖尿病研究所でプラズマローゲンを研究する脂質生物学者ピーター・メイクル氏は述べた。同氏は今回の研究には関与していない。

しかしブディンは、これらの脂質の働きを実際に観察したかった。そして、シンクロトロンでの深夜の実験中に、あることを思いついた。「真夜中にひどく疲れている時」と彼は言った。彼は偶然、脂質研究への興味深いアプローチを示す論文を見つけた。著者らは、大腸菌を改変し、通常 の脂質の代わりに膜中にプラズマローゲンを産生させていた。ブディンは、自分のチームも同様に大腸菌にプラズマローゲンを産生させ、さらに圧力をかけることで、生細胞内で膜がどのように機能するかを観察できると考えた。

論文の方法に従い、プラズマローゲン膜を持つ細菌は、典型的な細菌よりも圧力耐性が優れていることが実証されました。これらの実験用膜はプラズマローゲンがわずか20%しか含まれていませんでしたが、「効果を発揮するには十分でした」とウィニコフ氏は述べています。

バートレット氏は、湾曲した脂質形状の効果が、これほど無関係な種にも見られることに感銘を受けた。「この研究から、この恒常曲率適応の原理が生命の普遍的な特性となる可能性が明らかになるでしょう」と彼は述べた。

曲線的な柔軟性

プラズマローゲンは深海に限らず、ヒトを含む他の生物にも様々な量で存在します。ヒトの体内におけるプラズマローゲンの割合は細胞の種類によって異なります。肝臓では、プラズマローゲンはリン脂質の5%を占めます。筋肉では20%から40%の範囲で、脳では約60%を占めます。

実際、プラズマローゲンの劣化はアルツハイマー病などの神経変性疾患と関連付けられています。「証拠は、プラズマローゲンがより保護的な作用を持つことを示唆しています」と、哺乳類の健康との関連性からプラズマローゲンを研究しているメイクル氏は述べています。

ウィニコフ氏は、プラズマローゲンが神経細胞に、そのコミュニケーションニーズに適した柔軟性を与えているのではないかと推測しています。信号を送るために、ニューロンは細胞嚢に神経伝達物質を充填します。そして、その細胞嚢は細胞膜と融合し、シグナル伝達物質を次のニューロンへと放出します。プラズマローゲンの曲線的な構造が、このことを可能にしているのではないかとウィニコフ氏は示唆しています。

メイクル氏はこの考えに賛同している。「確かに、膜がこのような曲率を形成できる主な円錐形状です」と彼は述べた。膜機能における脂質の役割に関する理解が深まるにつれて、今回の発見はより幅広い膜に関連する可能性がある。

「彼らは答えよりも多くの疑問を提起しました」とグルーナー氏は述べた。「しかし、この研究がきっかけとなって、人々がこのテーマについてより深く考え、より多くの実験を行うようになることを願っています。」

実際、現在ハーバード大学のポスドク研究員であるウィニコフ氏は、この脂質適応機構が様々な生物にどれほど普遍的であるかを研究している。彼は、マグマと海水が出会う深海域である熱水噴出孔に生息する生物が同様の適応を持っているかどうかを調べるための実験を開始した。

本当に興味深いのは、生命の第三の系統である古細菌を調べることだと彼は付け加えた。古細菌の脂質は、細菌や真核生物に見られる脂質とは異なる挙動を示す、とウィニコフ氏は述べた。「それらは同じ物理法則に従うのでしょうか？」

開示情報：イタイ・ブディンは、編集上独立したQuanta Magazineにも資金提供しているシモンズ財団から資金提供を受けています。シモンズ財団の資金提供に関する決定は、私たちの報道内容に影響を与えるものではありません。

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。