科学者が複雑な生命の誕生のきっかけとなった条件を再現

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

単細胞微生物の多くは単独で活動するどころか、複雑な関係を築いています。海、土壌、そして私たちの腸内では、互いに戦い、共食いし、DNAを交換し、栄養素を奪い合い、あるいは互いの副産物を餌としています。時には、さらに親密になることもあります。ある細胞が別の細胞の中に入り込み、快適に過ごすこともあります。条件が整えば、そのまま留まり、歓迎され、何世代にもわたって、あるいは数十億年にもわたって続く関係が生まれることもあります。細胞が別の細胞の中に住むこの現象は、細胞内共生と呼ばれ、複雑な生命の進化を促してきました。

細胞内共生の例は至る所にあります。細胞内のエネルギー工場であるミトコンドリアは、かつては自由生活を送る細菌でした。光合成植物は、太陽光で作り出した糖を葉緑体に頼っていますが、葉緑体も元々は独立した生物でした。多くの昆虫は、体内に生息する細菌から必須栄養素を得ています。そして昨年、研究者たちは「ニトロプラスト」と呼ばれる、一部の藻類の窒素処理を助ける細胞内共生生物を発見しました。

生命の多くは細胞内共生関係に依存していますが、科学者たちはそれがどのように起こるのかを解明するのに苦労してきました。体内に取り込まれた細胞はどのようにして消化を逃れるのでしょうか？宿主の体内で繁殖する方法をどのようにして学ぶのでしょうか？独立した2つの生物が偶然に融合し、安定した永続的なパートナーシップを築くのはなぜでしょうか？

研究者たちは今回初めて、実験室で細胞内共生を誘導することで、この微小なダンスの幕開けを観察することに成功した。真菌に細菌を注入するという、創造的な問題解決能力（と自転車の空気入れ）を必要とするプロセスを経て、研究者たちは細菌と宿主を死滅させることなく、協力関係を育むことに成功した。彼らの観察は、微生物の自然界で同様のことが起こる条件を垣間見せてくれる。

細胞は予想以上に早く互いに適応しました。「私にとって、これは生物が実際に共存を望んでおり、共生が当たり前であることを意味します」と、アムステルダム自由大学で共生の細胞生物学を研究する菌類学者のヴァシリス・コッコリス氏は述べました。コッコリス氏は今回の研究には関わっていません。「ですから、私にとっても、この世界にとっても、これは本当に大きなニュースです。」

初期の試みが失敗に終わったことから、細胞の恋愛関係はほとんどの場合、成功しないことが明らかになりました。しかし、生物が細胞内共生菌をどのように、なぜ、そしていつ受け入れるかを理解することで、研究者は進化の重要な瞬間をより深く理解できるようになり、さらには超能力を持つ細胞内共生菌を組み込んだ合成細胞を開発できる可能性も秘めています。

細胞壁の突破口

スイス連邦工科大学チューリッヒ校の微生物学者、ジュリア・フォーホルト氏は、細胞内共生の仕組みについて長年頭を悩ませてきた。この分野の研究者たちは、細菌が宿主細胞に侵入すると、その関係は感染と調和の間で揺れ動くと理論づけてきた。細菌の増殖が速すぎると、宿主の資源を枯渇させ、免疫反応を引き起こし、結果として宿主、客、あるいはその両方の死に至る危険性がある。一方、増殖が遅すぎると、細胞内に定着できない。細菌がゴルディロックス（最適な増殖率）に達するのは、ごく稀だと彼らは考えていた。そして、真の細胞内共生者となるには、宿主の生殖周期に侵入し、次世代へと繋がる必要がある。そして最終的に、宿主のゲノムが細菌に適応するために変異し、両者が一体となって進化していく。

「彼らはお互いに依存するようになる」とヴォルホルト氏は語った。

これらのアイデアは論理的に理にかなっていましたが、微生物の細胞内共生の初期段階を目撃した人は誰もいませんでした。そこでヴォルホルトは、研究室でそれを実現しようと決意しました。細胞内共生の仕組みを一から作り直すのではなく、自然界で既に起こっているパートナーシップを再現すれば、チームにとって最大の成果が得られると考えたのです。

イネ苗立枯病は、野生の共生関係から生じる有毒な副産物によって引き起こされる病気です。進化の過程で、菌類のリゾープス・ミクロスポルス（Rhizopus microsporus）は細菌のマイセトハビタンス・リゾキシニカ（Mycetohabitans rhizoxinica）を宿主としました。この細菌は毒素を産生し、菌類はそれを利用してイネに感染します。両者は、死んだ植物細胞や死にゆく植物細胞から栄養分を吸収することで利益を得ます。何世代にもわたって、この2つの菌類は密接に絡み合い、今では菌類は共生菌なしでは繁殖できません。

しかし、この菌株の中には、細胞内共生菌なしでも生存できるものがある。ヴォルホルトは、この菌株を使って、この有毒な共生関係を再現できると考えていた。しかし、細胞同士のマッチングというより困難な段階に進む前に、彼女のチームは基本的な物理的制約を克服しなければならなかった。それは、どのようにして細菌を菌の硬い細胞壁から物理的に押し出すかという問題だ。

論文の筆頭著者であり、ヴォルホルト教授の大学院生でもあるガブリエル・ギーガー氏は、まず真菌細胞の壁を柔らかくするための酵素カクテルを調製した。次に、FluidFMと呼ばれる技術を搭載した原子間力顕微鏡を小型注射器として改造した。ギーガー氏がマイクロニードルで真菌細胞に穴を開けると、決壊したダムから水が流れ出すように、細胞質が勢いよく流れ出した。

「バックフラッシュがものすごく多かったんです」とギーガーは言った。「（細胞液が）まるで目の前に噴き出してくるんです」

細胞内圧に抵抗し、細菌を押し込むための、より強力な何かが必要でした。ギーガーは自転車のポンプと顕微鏡を間に合わせで接続しました。これはうまくいきました。自転車のポンプが圧力を高め、細菌を細胞壁を突き破って細胞質へと押し込んだのです。

様々な圧力を試行錯誤した後、研究チームはシステムを改良しました。「細菌を菌類に注入するための技術の応用は本当に素晴らしい」と、オックスフォード大学で細胞内共生を研究する進化生物学者で、今回の研究には関わっていないトーマス・リチャーズ氏は述べています。「細菌を菌類の中に押し込むには、特殊な鋭利な針と、車のタイヤの3倍の圧力をかける必要がありました。これは大きな技術的進歩です。」

ギーガーとヴォルホルトはまず、実験室でよく使われる細菌である大腸菌を真菌に注入した。注入後、大腸菌は細胞内の栄養素を摂取して急速に増殖した。細菌の増殖速度が速すぎたため、真菌の免疫システムがそれを察知し、適切に封じ込めて処分した。

次に研究者たちは、他のR. microsporus株内に既に定着していた細菌M. rhizoxinicaに着目した。一旦体内に入ると、この細菌は適切な速度で分裂し、免疫応答を回避した。最も重要なのは、どちらのパートナーも死ななかったことだ。「注入後に菌と細菌の両方が増殖するのを見るだけでも、非常に興奮しました」とギーガー氏は語った。

二人は当初は互いを受け入れ合っていたが、それはほんの第一歩に過ぎなかった。ギーガーは辛抱強く待ち、そして顕微鏡で探し求めていたものを見つけた。細菌が真菌の胞子の中に入り込み、次の世代へとヒッチハイクしていたのだ。

「信号が本物かどうか確かめなければならなかった。確かめるまでは、安眠できないからね」と彼は言った。「興奮はしばらく続いたよ」

ギーガーと研究チームは胞子を手作業で選別し、10世代にわたって菌類を発芽させた。繁殖サイクルごとに生き残る細菌の数が増え、胞子はより健康で効率的になった。研究者たちは初めて、共生微生物と宿主微生物が互いに適応していく様子を観察した。「どちらの生物も互いに毒を与え合うことはなく、成長速度は両者の生存能力のスペクトルとほぼ一致しています」とギーガーは回想する。細菌は菌類に守られ、栄養を得て生き延びた。そして菌類は毒を持つパートナーを得たのだ。

微生物のパートナーシップを確証するため、研究室は両者を分離し、ゲノム解析を行った。真菌のゲノムは既に細菌に適応するための変異を獲得していた。研究者たちは、これらの関係は明らかに急速に安定する可能性があることを突き止めた。まもなく、2つの種は互いなしでは生きられなくなった。

適切なバランスをとる

リチャーズ氏によると、ヴォルホルト氏とギーガー氏は自然な関係を再現することで「進化のテープを再生」し、共生がどのように起こるのかを学んだという。彼らは、適応過程のどの段階でも宿主と共生生物の間に不適合があれば、共生は起こり得ないと結論付けた。「おそらく自然界ではよくあることです」とヴォルホルト氏は言う。「出発点はうまくいっているのに、どういうわけか淘汰が起こらないか、あるいは利益よりもコストがかかる。そうなると、システムは失われ、安定しないのです」

また、うまく機能するペアリングでは、両方のパートナーが互いに適応し合うことも明らかになった。これはこれまでほとんど見過ごされてきた現象だ。細菌が新しい環境に適応するだけでなく、宿主も、初期段階において変化したのだ。「これはこれまで人々が見過ごしてきた根本的に重要な問題です」とリチャーズ氏は述べた。「これは真の進歩への扉を開くものです。」

この細菌と真菌の共生は、啓発的ではあるものの、様々なメカニズムや条件を伴う可能性のあるプロセスの一例に過ぎません。「原生生物や、これまで十分に研究されていない他のグループにおいて、共生がどのように支えられているかについて、多くの新しいパターンが見つかるだろうと想像しています」と、イネの苗と疫病菌の共生を発見し、現在メキシコの植物科学研究所シンベスタブ・イラプアトの所長を務めるライラ・パルティダ・マルティネス氏は述べています。

様々な共生系におけるさらなる研究により、どの条件が一般的に適用され、どの条件が特定のペアに特有であるかが明らかになるでしょう。将来的には、これらの発見は、実験室で培養された共生関係を特徴とする新たな種類の合成生物学につながる可能性があり、「生物学的イノベーションを探求する魅力的な道」となる可能性があるとヴォルホルト氏は述べています。

生物の遺伝子を編集して新たな形質を作り出す代わりに、特定の機能を果たすように細菌を改変し、それを宿主に移植することも可能です。「こうすることで、多くの新しい機能を共生系に組み込み、共に進化させることができます」とパルティダ・マルティネス氏は述べています。細胞内共生を誘導することで、汚染物質を代謝したり医薬品を製造したりする植物を改変できる可能性があります。「システムを設計し、実際に調整するには時間がかかります」と彼女は付け加えました。「私たちの想像力が限界になると思います。」

ということは、いつか人間が葉緑体を獲得し、光合成できるようになる可能性があるということでしょうか？ギーガー氏は、哺乳類の細胞内で葉緑体が安定するのは難しいと考えています。たとえ可能になったとしても、光合成だけでは私たちのエネルギー源にはならないでしょう。私たちのエネルギー需要はあまりにも高いからです。「美しい緑色の肌を手に入れ、自家発電装置で少しは動くかもしれませんが、太陽から得られるエネルギーはごくわずかです」と彼は言います。「空腹に悩まされることが頻繁になり、ピザなどの他の食料で補わなければならないでしょう。」

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。