原始的なアスガルド細胞は複雑性の瀬戸際にある生命を示している

オークの木。根に絡みつく共生菌。枝の一つからカーディナルがさえずる。これらの共通の祖先に関するこれまでで最も有力な手がかりは、12月に公開された電子顕微鏡画像の中にあったかもしれない。

「見て！」と微生物学者のクリスタ・シュレパーは、ウィーン大学のウェブカメラの前に高解像度のプリントアウトした画像を掲げながら、満面の笑みで言った。「美しいでしょう？」顕微鏡写真に映る細胞は、幅500ナノメートルの球体で、それぞれがメデューサのような巻きひげの輪に囲まれていた。彼女のチームは、この生物を初めて単離・培養しただけでなく、その激しく揺れる糸状の組織がアクチンでできていることを明らかにした。アクチンは、ほぼすべての複雑な細胞、つまり真核生物の骨格を形成するタンパク質だ。

しかし、これは複雑な細胞ではなく、むしろ祖先的、原始的な細胞に見えた。ネイチャー誌に初めて掲載されたこの生物は、アスガルド古細菌と呼ばれる微生物群の中で、培養され詳細に研究された2番目の代表例だ。この生物を海底のヘドロのスプーン一杯から培養するまで6年を要し、気難しいセレブの楽屋を準備するようなものだった。この生物は遠心分離したり、撹拌したり、酸素にさらしたり、仲良く暮らす他の微生物から分離したり、氷河期のような速度よりも速く成長させたりすることはできなかった。

何ヶ月もの間、全く成長しなかった。「科学者としての自分の将来も心配でした」と、シュレパー研究室のポスドクとして新種の培養を主導したチアゴ・ロドリゲス＝オリベイラ氏は語る。彼は、たった一つの、手に負えない生物の気まぐれに、自らのキャリアを賭けたのだ。

アスガルド古細菌は、その扱いが非常に困難であるにもかかわらず、今や科学界で最も注目されている生物の一つであり、それには十分な理由がある。多くの進化生物学者にとって、その発見とその後の研究は、教科書に載っている生命の樹形図を改訂し、私たち人間、そして真核細胞から構成される他のすべての生物を、アスガルド群の単なる派生として位置づける根拠となる。

一方、アスガルドのゲノム研究は、真核生物の進化という地球史における画期的な出来事に、切実に必要とされていたデータをもたらしました。この問いは、激しい議論を巻き起こしてきました。これまでの研究のほとんどは、アスガルド群の間接的な遺伝子プローブに頼らざるを得ませんでした。これは、ルイ・パスツールの時代以来、微生物学のゴールドスタンダードである、実験室で生きた微生物を触診するのと同じ機会を提供しません。

今、世界中の研究室がそれぞれ独自のアスガルド菌を培養しようと、ハイリスクでスローモーションな競争が繰り広げられている。サンプルは共有されず、培養戦略は厳重に守られた秘密となっている。シュレパー研究チームの成果が発表された時、「正直言って衝撃を受けた」と、海洋研究開発機構（JAXA）の微生物学者、井町博之氏は記している。同氏は12年間の苦難の末、アスガルド菌の他に初めて、そして現在唯一のサンプルを単離した。

彼らだけではありません。オランダのワーゲニンゲン大学の進化微生物学者、ティイス・エッテマ氏は、自身の研究室でもアスガルドの培養物の改良に向けて進展があったことを示唆し、少なくとも10の研究室が同様のプロジェクトを進めていると推測しました。「彼らは私に教えてくれないでしょう」と彼は言いました。

生物を組み立てる

アスガルド古細菌への道筋が初めて明らかになってきたのは10年前だ。エッテマ、シュレパー、そして現在アムステルダム大学で進化微生物学者として働くアンジャ・スパングを含む研究チームが、進化のミッシングリンクとなるものを探し始めたのは、まさにその時だった。

生物学者は長らく、遺伝子データを用いて既知の生物すべてを細菌、古細菌、真核生物という3つの分類群に分類してきました。しかし、これらのグループを結びつける系図をどのように描くべきかについては、激しく意見が対立していました。

1970年代後半にアーキアを発見したアメリカの著名な微生物学者カール・ウーズ氏は、3つのグループはそれぞれ独自の存在であり、それぞれが尊厳において同等であり、生命の異なる「ドメイン」を代表していると主張した。ウーズ氏とその支持者たちの見解では、アーキアと真核生物は、より古い祖先から派生した姉妹グループである。反対派は、細菌とアーキアのみからなる「2ドメイン」の系統樹を主張し、真核生物はアーキアから直接進化したと主張した。

陣営が形成され、立場は固定化されていった。「どれだけ過去に遡るかに関わらず、人類の起源に関わるものはすべて、人類が深く関心を寄せるものなのです」とスパングは語った。

これらの新生物が分離される何年も前に、微生物調査によって、世界中の海洋堆積物中に、真核生物のゲノムに疑わしいほど近いゲノムを持つ未知の古細菌群の存在が示唆されていました。シュレパー博士課程の学生であるステフェン・ヨルゲンセン氏が率いるある研究では、これらの謎の微生物が2008年に大西洋の熱水噴出孔付近で採取された海底泥の中で繁殖していることが示されました。研究チームは、同じサンプルから採取した7.5グラムの泥を用いて、より長いDNA配列の探索を開始しました。

彼らの中間目標は、20年前から存在するメタゲノミクスと呼ばれる手法を用いて、存在する各微生物から遺伝子配列を取得することでした。「何千ものパズルのピースがごちゃ混ぜになった山を想像してみてください」とスパング氏は説明しました。まず、どのピースがどのパズルに該当するかを判断します。次に、それぞれのパズルを組み立てます。メタゲノミクスは、このようにして、泥の中に潜む微生物のDNAのみからゲノムを組み立てることができます。

2015年に発表されたこの解析では、特に興味深いゲノムが1つ発見されました。そのゲノムが属する生物は、これまで発見された中で最も真核生物に類似した古細菌であると考えられ、少なくとも175種類のタンパク質の遺伝子が真核生物のタンパク質と強く類似していました。研究者たちは、すべての真核生物はこの古細菌の近縁種から発生した可能性があると主張し、この見解は生命樹の2ドメイン説を強く支持するものでした。

エッテマはこの生物をロキアーキオタ（Lokiarcheota）と名付けた。これは、サンプル採取場所付近にある熱水噴出孔「ロキの城」にちなんで名付けられた。しかし、2015年の論文には別の理由も示されている。「ロキは『驚くほど複雑で、紛らわしく、相反する人物であり、数え切れないほどの未解決の学術的論争の引き金となってきた』と、彼らはスカンジナビア文学の学者の言葉を引用して記している。この言及は、複雑な細胞の起源である真核生物発生をめぐる論争に合致しているように思われた。

彼らの発見はすぐに三ドメインモデルの支持者から非難を浴びた。ロキのような生物は本当に実在したのだろうか？それとも、スパングはメタゲノムの謎解きを間違え、複数の異なる微生物のゲノムを混ぜ合わせて、キメラのような架空の生物を作り出してしまったのだろうか？

しかし間もなく、エッテマ、スパング、そして多くの共同研究者たちは、世界中の温泉、帯水層、そして海水と淡水の堆積物から、ロキ生物に類似した遺伝子配列を発見した。この生物は決して珍しいものではなく、単に見過ごされていただけだったのだ。

科学者たちは、北欧神話のテーマに沿って、これらの新興グループにオーディン、トール、ヘル、ヘイムダルといった新たな名前を与え、その領域全体を北欧の神々の故郷にちなんでアースガルズ古細菌と呼んだ。追加されたゲノムには真核生物に似たタンパク質が多数含まれているようで、これは、我々の真核生物の枝がアースガルズの祖先から分岐したという、生命の樹の2ドメイン説をさらに裏付けるものとなった。

それでも、真核生物の発生が生命の系図のどこで起こったのかを解明しても、その過程がどのように展開したかをめぐる議論の解決にはほとんど役立たなかった。生物学者たちは、生きたアスガルド類のアーキアを研究することで、DNA断片を調べるよりも多くの知見が得られるのではないかと考えていた。アスガルド類が発見されて間もない2015年、シュレパーはオーストリアでロキの培養を試み始めた。

しかし、誰も知らなかったが、日本では栽培によって、すでにひとつの種類がゆっくりと増殖していた。

なかなか手に入れられない微生物

「私の名前、ヒロは『寛容』という意味です」と、イマチは2020年のクアンタ誌のインタビューで語った。「寛容で忍耐強いことは、何というか、私の人生において大切なことだと思います。」

2006年、日本沖で有人潜水調査船「しんかい6500」が、水深2.5キロメートルの海溝底から、黒く硫黄を帯びた堆積物のコアを掘削しました。その年の後半、井町氏はこの堆積物の一部を、深海環境を再現できるバイオリアクターに投入しました。この装置は、発展途上国向けの下水処理システムから改造したものです。そして、この奇妙な庭園で何が育つのか、観察することにしたのです。

メタゲノミクスによって、既知の培養可能な生物の全体は、自然界の真の微生物多様性のほんの一部に過ぎないことが既に明らかになっていた。大学院を卒業して数年しか経っていないイマチは、あらゆる微生物を培養するという空想的な目標にキャリアを捧げていた。しかし、ロキのような生物を実験室で培養するには、同時にいくつもの困難なハードルを乗り越える必要があった。

まず、海底の泥の小さな塊には、数百種もの微生物が生息しています。不要な細菌を除去するには、細菌には致死的であるものの、古細菌には耐性のある抗生物質を添加することができます。しかし、抗生物質は、標的の古細菌が生存するために不可欠な共生細菌種も殺してしまう可能性があります。そのため、適切な致死効果を持つ治療法を見つけるには、様々な濃度の抗生物質を実験する必要があります。

次に、対象微生物が繁殖するのに適した栄養素、培地、堆積物の配合を見つけなければなりません。最後に、対象微生物が電子顕微鏡で観察したり実験に使用できるほどの濃度になるまで、ひたすら待ち続けなければなりません。イマチが育てていた微生物は、順調な時は2～3週間に1回分裂します。比較すると、多くの微生物学研究室で主力細菌である大腸菌は、わずか20分で倍増します。

サンプルがイマチのバイオリアクターに投入されてから5年半後、日本の研究チームは、内部で増殖していたものを小さなガラス管に接種した。約1年後、抗生物質を添加したガラス管の一つに、かすかな生命の兆候が見られることに気づいた。そして、彼らは標的（スパングが2015年に発表したロキアーキオタ群の配列と一致することがわかった）を高濃度に培養しようと試み始めた。

2019年の夏、プレプリントサーバーに論文をアップロードする直前、イマチはエッテマに成功を告げる論文草稿を送った。エッテマは、長年遺伝子配列を調べてきた生物を初めて見た時のことを思い出した。「まるで別の惑星から来た生物のようでした」と彼は言った。「あんな生物は見たことがありませんでした」

日本の研究グループによる電子顕微鏡画像は、ロキ生物が実在するのか、それともメタゲノミクスによる産物なのかという議論に終止符を打った。しかし、彼らの研究はロキ古細菌に関する2つの重要な新発見ももたらした。それは、この生物が小さな腕で自身を囲んでいること、そして硫酸還元細菌とメタンを生成する別の古細菌種と共依存的な塊を形成して繁栄しているように見えることである。

一方、オーストリアのシュレパー研究室では、当初6年間の助成金が減り続け、新たな資金の獲得は見通せなかった。生物の培養を担当していたポスドクの一人は、研究の道を断念した。また、別の研究メンバーである技術者は、ピペットで採取した量が多すぎて、手根管症候群の手術が必要になった。

しかし、2019年秋、ロドリゲス＝オリベイラ氏が始めたロキ属の生物の培養が徐々に進み始めた。日本の系統の約半分の時間で分裂し、密度は50～100倍に達した。それでも、この生物を扱うのはまるで「ウォーリーをさがせ！」の本をめくるようだ。シュレパー氏によると、電子顕微鏡でサンプルを36時間スキャンしたが、チームはわずか17個の個体しか発見できなかったという。

昨年12月、彼らはその成果をNature誌に発表しました。このロキにも触手のような繊維があり、シュレパーらの研究グループは、この繊維が他の生物に絡みついて相互作用するのではないかと推測しています。日本の研究チームに先んじて、彼らは触手がロキアクチンというタンパク質でできていることを示しました。このタンパク質は、真核細胞が支持細胞骨格を形成するアクチンに非常によく似ています。つまり、ロキアクチン遺伝子は真核生物の遺伝子に似ているだけでなく、真核生物のような機能も果たしているのです。

ロキアクチン遺伝子は、科学者がこれまでに発見した約172のアスガルドのゲノムの全てに出現する。これは、このグループ全体の祖先、そしておそらくすべての真核生物の祖先が、類似した原始骨格を持っていた可能性を示唆している。

では、シュレパー研究室は今、この生物を使って何をしようとしているのだろうか？「何でもやります！」と彼女は笑いながら答えた。

複雑な細胞を形成するために手を伸ばす

アスガルド古細菌が寄与する、現在支配的な二ドメイン構造において、この惑星における生命の大きな物語は、おおよそ次のようになります。約40億年前、生命は古細菌と細菌という二つの単細胞の系統に分岐しました。

遺伝学的証拠は、20億年後、おそらくアスガルド群に属する古細菌が何らかの形で細菌を摂取した際に、この二つの系統が再び交配したことを示唆している。この過程で、かつては独立した自由生活細胞であったものが家畜化され、真核細胞内に残存するミトコンドリアと呼ばれる細胞小器官へと変化した。この運命的な交配の子孫は、渦鞭毛藻類などの他の単細胞生物へと分岐し、さらに多細胞生物へと進化した。多細胞生物は巨視的サイズにまで成長し、化石を残し、海と陸の両方に定着した。

しかし、この説を支持する理論家たちの間でも意見は分かれている。ミトコンドリアの獲得が真核生物発生における決定的な出来事だったと主張する者もいれば、ミトコンドリアは進行中の移行の途中で後から現れたと主張する者もいる。

「アスガルド類の古細菌は、既にかなり複雑で、真核生物に非常に類似していた可能性があります」と、ブリストル大学の計算微生物学者トム・ウィリアムズ氏は後者の見解について述べた。「その後、この見解の極端な形で、いわばおまけとしてミトコンドリアを獲得したのです」。しかしウィリアムズ氏は、ミトコンドリアはそれよりも以前に獲得されたと考えている。アスガルド類の複雑さが、議論を中間的な見解へと傾けているだけだと彼は述べた。

しかし、アスガルド類の研究データは、真核生物起源の議論を別の面でも制約している。一つには、これまで培養されたアスガルド類はどちらも、他の微生物群から分離することが困難であることが判明している。日本のロキと同様に、オーストリアの生物は、培養において別の古細菌種と別の硫酸還元細菌を共存させることを好み、あるいは依存しているように見える。フランス国立科学研究センターのピュリフィカシオン・ロペス＝ガルシア氏をはじめとする真核生物起源の研究者たちは、ミトコンドリアが最初にこのような「共生」関係、つまり複数の種が相互に依存して共存する関係から形成されたという考えを長年提唱してきた。

スパングとシュレパーは、ロキがアクチンの触手を持つという発見は、「インサイドアウトモデル」と呼ばれる真核生物発生のシナリオに説得力を与えると述べた。2014年、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの細胞生物学者バズ・バウムと、彼のいとこでウィスコンシン大学マディソン校の進化生物学者デビッド・バウムは、家族の集まりで話し合っていたある考えを提唱した。それは、単純な祖先細胞が細胞壁を越えて突起を伸ばし、最初の真核生物が誕生したというものだ。まず、これらの腕は共生細菌に向かって伸び、最終的にそのパートナーを取り囲み、原始ミトコンドリアへと変化させた。元の古細菌細胞と捕獲された共生生物は、両方とも腕によって形成された骨格に包まれていた。

アスガルド古細菌がまだ環境DNAの断片からしか知られていなかった頃、バウムはある会議の参加者に、その生物がどのような姿をしているのか想像して描いてみるよう依頼した。バウム自身が描いた「裏返しの考え」に基づく絵は、腕が突き出ているだろうと予測し、集まった他の科学者たちを驚かせた。シュレパー氏によると、当時は「彼がこんなおかしな提案をするのはとても奇妙に思えた」という。

競争的な雰囲気

真核生物の発生は、時間の経過や遺伝子の交換によって非常に不明瞭になっており、確実に知ることはできないかもしれません。

例えば、現在培養されている2種のロキ種は、現生生物であり、古代のアーキアとは異なる。これは、歌を歌うカーディナルが、その進化の源となった祖先の恐竜と異なるのと同じである。ロキグループは、遺伝子解析によって真核生物に最も近縁であると示唆されているアスガルドのアーキアのサブセットでさえない。（既知のアスガルドのゲノムに基づき、エッテマらが3月に投稿したプレプリント論文では、真核生物の祖先はヘイムダルのアーキアであると主張している。）

それでも、世界中の研究室は、アスガルド群のより多様な代表種を培養することで、彼ら、そして人類の共通祖先に関する新たな手がかりが大量に得られると賭けている。シュレパーも、エッテマも、そしてバウムも、ヘイムダルやオーディンといった群の古細菌の小瓶を持ってくる新しい研究員を間もなく迎える予定だと述べている。イマチも同様だ。イマチは、この件に関してクアンタの取材を断った。

「もし今あなたにインタビューを受けたら、おそらくまだ公表されていない新しいデータについて話すでしょう」と彼はメールで説明し、彼のグループはシュレパーチームの努力を称賛していると付け加えた。「今は非常に競争が激しいです（私はこの種の競争は好きではありませんが）」と彼は付け加えた。

他の関係者も、過度にプレッシャーのかかる雰囲気を嘆いている。「この分野がもっとオープンになって共有できるようになると良いのですが」とスパング氏は述べた。プレッシャーは、ハイリスク・ハイリターンの培養プロジェクトに取り組む若い科学者に最も重くのしかかっている。成功すれば、履歴書に輝かしいネイチャー誌の論文を載せることができる。しかし、失敗に終わった研究に何年も費やせば、科学分野での仕事を得るチャンスを失ってしまう可能性がある。「本当に不公平な状況です」とシュレパー氏は述べた。

しかし今のところ、競争は続いている。バウム兄弟が2014年に真核生物発生に関する仮説を発表した際、バズ・バウム氏によると、彼らはおそらく真実は永遠にわからないだろうと考えていたという。ところが突如としてアスガルドが現れ、生命を単細胞の単純さから進化へと押し上げた、限界的な過渡期の新たな一面を垣間見せてくれたのだ。

「この美しい惑星を破壊する前に、少し調べてみるべきです。地球には、私たちがまだ知らない素晴らしいものがたくさんあるんです。もしかしたら、生きた化石のようなもの、中間の状態のものが見つかるかもしれません」と彼は言った。「もしかしたら、私のシャワーカーテンにもあるかもしれません」

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。