私たちは細菌の世界に生きており、それは以前考えられていたよりも私たちに影響を与えています

(Phys.org)- そのキャリアを通じて、有名な生物学者リン・マーギュリス（1938～2011）は、微生物の世界が、科学者が通常認識するよりはるかに大きな影響を生物圏全体（すべての生き物の世界）に与えている、と主張していました。 このたび、世界中の大学から集まった科学者チームが、過去10年以内に行われた動物-細菌相互作用に関する数百件の研究結果を収集・整理し、マーギュリスの主張が正しかったことを明らかにした。

動物と細菌の相互作用に関する現在の研究を見直すプロジェクトは、一部の科学者が自身の研究分野での細菌の重要性を認識したことから始まりました。 ハワイ大学マノア校の生物学教授であるマイケル・ハドフィールドにとって、その認識は長年にわたって海洋動物の変態を研究している間に芽生えたものでした。 ハドフィールド教授は、海洋生物の幼生が海底の特定の場所に落ち着き、そこで幼生に変化して一生を終えることに、ある種のバクテリアが影響を与えることを発見しました。

「特定のバイオフィルム細菌が、世界中に分布するある海洋生物の幼虫を刺激するために不可欠でユニークなリガンドを提供することを決定すると、私たちの研究は自然に、シグナル伝達を担う細菌ゲノムの部分の研究へと進み、他の種でも、同じ遺伝子が関係していることがわかりました」と、ハドフィールドは Phys.org に語りました。 「動物とバクテリアの相互作用の研究に関して、異なる視点から、そして、さらに多くのことを認識していたマーガレット・マクフォール＝ンガイと私は、現状について幅広く話し合い、そして、バクテリアと動物の相互作用の研究に対する様々なアプローチの専門家をかなり多く集めて、あなたが手にしている論文のようなものを起草しようと試みることにしたのです。 私たちはこのテーマに関する「触媒会議」を全米科学財団の国立進化合成センター（NESCent）に提案し、資金提供を受け、プロジェクトは軌道に乗りました」

細菌は私たちを取り囲む

多くの点で、細菌が世界で果たす役割が突出していることは容易に理解できる。 バクテリアは、約38億年前に地球上に現れた最初の生命体の1つであり、人類がいなくなっても、おそらくずっと生き残っていくことでしょう。 現在の生命の木では、3本の枝のうちの1本を占めています（他の2本は古細菌と真核生物で、動物は後者に属します）。 バクテリアは非常に多様で、海の底から私たちの腸の中まで、地球上のほぼすべての場所に生息しているが、いくつかの共通点がある。

動物が細菌の宿主となり、特に腸や口、皮膚に生息していることは長年知られていましたが、最近の研究により、これらの微生物がどれほど多数存在しているかが明らかになりました。 人間の体内には、人間の細胞の約10倍もの細菌細胞が存在するという研究結果も出ています。 (ただし、バクテリアの細胞は人間の細胞よりずっと小さいので、バクテリアの総重量は半ポンドにも満たない)。

これらの細菌の中には、単に動物と並んで生活しているだけであまり交流のないものもあるが、中には多くの交流を持つものもある。 私たちはしばしば、細菌というと病気を引き起こす「病原菌」を連想しますが、結核やペスト、MRSA感染症など、多くの病気の原因となっているのは細菌なのです。

「現在、大気の最も上層部や海底の深い岩の中で地球を周回している細菌を含め、世界に存在する細菌の本当の数は、驚くほど膨大です」と、ハドフィールド氏は述べています。 「さらに、掃き溜めから温泉まで、考えうるすべての環境から、事実上すべての生物に存在する細菌を追加します。 ですから、動植物に対して病原性を持つ細菌種の割合は、きっと少ないでしょう。 動植物にとって有益／必要である割合も、同様に、宇宙に存在するバクテリアの総数に対して少ないのではないか。この観点からすれば、きっとほとんどのバクテリアは「中立」なのだろう。 しかし、有益な微生物、それも非常に必要な微生物の数は、病原体の数よりもずっとずっと多いとも確信しています」

動物の起源と共進化

私たちのささやかな始まりから、細菌は多細胞生物の起源（およそ10億年前）と動物の起源（およそ7億年前）を助け、重要な役割を果たした可能性があります。 このたび、多細胞生物に最も近い生物である単細胞の襟鞭毛虫が、餌となるバクテリアからのシグナルに応答することが明らかになった。 このシグナルによって、分裂中の襟鞭毛虫の細胞はつながりを保つようになり、協調的なコロニーを形成して多細胞生物となった可能性がある。 しかし、このような生命体の起源に関する問題は激しい議論の対象となっており、科学者たちはこれらの生命体がどのようにして出現したのかについて多くの仮説を立てている。 これらのプロセスにおけるバクテリアの役割は、他の視点を排除するものではなく、さらなる考察を加えるものです。

動物の出発を助けた後、バクテリアは進化の道筋を助けるという重要な役割も果たしています。 動物の発生は、従来、主に環境要因に対応する動物自身のゲノムによって方向付けられると考えられてきましたが、最近の研究では、動物の発生は、動物、環境、そして多くの微生物種の共進化の間の調和として考えた方がよいことが分かっています。 この共進化の一例として、哺乳類が内温性（代謝によって約40℃の体温を一定に保つ能力）を獲得したときが挙げられる。 この温度は、哺乳類のパートナーである細菌が最適な効率で働き、哺乳類にエネルギーを供給し、食物の必要量を減らすことができる温度でもある。 この発見は、バクテリアが好む温度が、内温性に関連する遺伝子の進化に選択圧をかけた可能性を示唆しています。

バクテリアのシグナル伝達

動物とバクテリアの間の根強い同盟の証拠は、両グループのゲノムにも現れています。 つまり、共通の祖先に由来する、バクテリアや古細菌に見られる遺伝子と関係があります。

これらの相同遺伝子の多くは、動物とバクテリア間のシグナル伝達を可能にし、互いの発達に影響を与えることができたことを示唆しています。 その一例が、ハドフィールドらのグループが発見した、一部の海産無脊椎動物の幼生が変態を誘導する際に、バクテリアのシグナル伝達が重要な役割を果たすというもので、バクテリアは特定の環境因子に関連した合図を出します。 その他の研究により、細菌シグナルは哺乳類の正常な脳の発達に影響を与え、脊椎動物と無脊椎動物の両方で生殖行動に影響を与え、ツェツェバエの免疫系を活性化することが判明した。 また、一部の動物（ヒトを含む）が将来の伴侶となる相手を引きつける嗅覚物質も、その動物に常在する細菌によって産生されるものであることが分かっている。

細菌のシグナル伝達は、発達に不可欠なだけでなく、動物が恒常性を維持し、私たちを健康で幸せにするのにも役立っています。 研究によって明らかになったように、腸内細菌は中枢神経系を通じて脳とコミュニケーションをとることができます。 ある種の細菌を持たないマウスでは、不安やうつ病のような行動を制御する脳領域に欠陥があることが研究で明らかにされています。 また、細菌のシグナル伝達は、動物の免疫システムを守る上で重要な役割を担っている。 このような細菌のシグナル伝達経路を乱すと、糖尿病、炎症性腸疾患、感染症などの病気につながる可能性があります。 また、動物の病気を引き起こす病原体の多くは、本来、動物と何百もの有益な細菌種とのバランスを保つために進化してきたこの細菌コミュニケーションチャネルを「ハイジャック」していることが研究で示唆されている。

シグナル伝達は、生態系という大きな舞台でも見られます。 例えば、花の蜜に含まれるバクテリアは蜜の化学的性質を変え、受粉媒介者が植物と相互作用する方法に影響を与えることができる。 また、経膣分娩で生まれたヒトの乳児は、帝王切開で生まれたヒトと腸内細菌が異なり、その影響は長く続くと考えられている。

腸内細菌

太古の動物において、腸内細菌は動物の食物消化を助けることにより栄養面で重要な役割を果たし、呼吸器系や泌尿器系など、近辺の他の器官の発達に影響を与えた可能性があります。 同様に、動物の進化はバクテリアの進化を促し、時には高度に専門化したニッチへと進化させたと考えられる。 例えば、シロアリの腸内に存在する細菌の90%は、他のどこにも存在しないものである。

科学者たちは、人間の腸内細菌が食生活の変化に適応していることも発見しています。 たとえば、ほとんどのアメリカ人は、高脂肪、高タンパクの食事を消化するのに最適な腸内細菌叢を持っていますが、ベネズエラのアマゾナス地方の人々は、複雑な炭水化物を分解するのに適した腸内細菌を持っています。 日本では、海藻を消化できる腸内細菌を持つ人もいる。 腸内細菌は、ある種の細菌を追加したり削除したりすることによって、また、ある細菌から別の細菌へ遺伝子を水平移動させることによって適応すると、研究者たちは考えている。

全体像

最近の研究を総合すると、動物とバクテリアには深く絡み合った歴史があり、自分自身の健康や幸福、そして環境のために互いに依存し合っていることが明らかになりました。 研究者たちは、動物と細菌の相互作用にのみ焦点を当てましたが、共依存や共生の同様の傾向は、古細菌、菌類、植物、動物など他のグループの間でも普遍的に見られると予想されます。 かつては例外とされていたこのような相互作用は、現在では、マーグリスが数十年前に予言したとおりのルールとして認識されつつある。 このような共生関係により、生物、環境、集団、ゲノムの定義そのものが曖昧になり、見直すべきであると、ここで科学者たちは提案している。

さらに研究者たちは、動物と細菌の相互作用に関する最近の発見が、生物学者たちに生物圏全体の基本的な性質についての見解を大きく変えるよう求めるだろうと予測しています。 これに沿って、個体および地球システムにおける幅広い細菌を調査し、細菌が乱されたときに何が起こるかを見るために、ヒトマイクロバイオームプロジェクトや地球マイクロバイオームプロジェクトなどの大規模研究プロジェクトがすでに進行中です。

最後に、科学者たちは、この結果が、新しい微生物フロンティアを探索するために、異なる分野の科学者やエンジニアの間でより学際的な共同研究を促進することを期待しています。

「『最も重要な結論』をひとつにまとめるのは難しいのですが、行動学から生理学、生態学から分子生物学まで、動物を研究する生物学者に対して、『自分が研究しているのがどんなプロセスであっても、バクテリアの主要な役割を探し、考慮しなければならない』という勧告を出すこと以外にありません」と、ハドフィールドは述べています。 「つまり、動物学者が研究を進めるためには微生物学者と協力しなければならないし、分子生物学者が生物学者と協力しなければならない、というようにです。 私たちは、「Animals in a bacterial world」のメッセージが、大学の生命科学系学科（動物学、植物学、微生物学など）や学会（米国微生物学会など）の間の古い境界をなくす必要を訴えるものであることを強く望んでいます。

この成果は、この共同研究の科学者が自身の研究分野を継続する方法を大きく変えるだろうと、Hadfield氏は語ります。

「この論文の著者はそれぞれ、論文で議論されている動物-細菌相互作用の1つまたは複数の分野で基礎研究を行っており、それぞれが自身の専門分野に引き続き注力することは間違いないでしょう」と彼は述べました。 「しかし、論文の構成や執筆の過程で生まれた交流（2011年10月のNESCentミーティングを皮切りに、ほとんどの研究者が初めて顔を合わせました）が、自分たちの研究に影響を与え、他の研究室との新しい共同研究が始まることも確信しています。 カルテックのダイアン・ニューマンのグループは、幼虫の発生に関与するバクテリアの遺伝子産物について、より詳細な調査を行うための優れた細菌学者集団です。