スタートラインに集まったランナーの群れは、みな同じように見えた。しかし、これは標準の 5K ではありませんでした。代わりに、研究者は、競合他社が迷路を通り抜け、すべての交差点で正しい方向を選択する際の速度とナビゲーション能力の両方をテストしたいと考えました.コースの最後には、ポスドクの Mehdi Salek と Francesco Carrara が、それぞれの完走者を特定するのを待っていました。ただし、ポスドクには、レーサーが人間ではないため、勝者のためのメダルや記念 T シャツはありません。それらは大腸菌でした
個々の勝者が存在する可能性があるという考えは、近年の微生物学の基盤を揺るがしています。スイス連邦工科大学チューリッヒ校 (ETH チューリッヒ) の Roman Stocker の研究室で働いていた微生物学者とエンジニアのチームが、このユニークな耐久イベントを発明しました。ストッカーの微生物マラソンのスタートラインにある細胞は遺伝的に同一であり、何十年にもわたる生物学的定説によれば、すべての細胞が同一の環境条件を経験している限り、それらの結果として生じる生理学と行動も多かれ少なかれ同じであるはずである. DNA レベルでは、すべての E.大腸菌 セルは、コースを泳いで操縦するほぼ同等のコード化された能力を持っていました。同時にレースを開始したセルのパックは、理論的にはすべてほぼ同時に終了します。
しかし、それはサレクとカラーラが見つけたものではありません。代わりに、一部のバクテリアは他のバクテリアよりも大幅に速く迷路を駆け抜けました。これは主に、より高い濃度の食物に向かって移動するためのさまざまな適性 (走化性と呼ばれるプロセス) によるものです。最初サレクとカラーラには見分けがつかない細胞の塊に見えたものは、実際にはユニークな個体の集合体でした.
「細菌は遺伝的に同一である可能性がありますが、表現型は異なります」とカララは言いました.
この細菌の個性は、専門的には表現型の不均一性として知られていますが、微生物に関する何十年にもわたる伝統的な考え方を覆します。たとえば、科学者は、抗生物質が同一のクローンのコロニー内の最後の微生物をすべて殺すとは限らないことを知っていましたが、これらの違いの原因とその結果の影響は謎に包まれたままでした.現在、顕微鏡検査とマイクロフルイディクス（ストッカーの研究室が細菌の迷路を構築するために使用した技術）の進歩により、重要な進化プロセスのベールが取り除かれ始めています。
「これは比較的見過ごされてきた現象です」とエール大学医学部の微生物学者、ヘスパー・レゴは述べた。 「微生物集団が異質性を進化させ、遺伝学を使用してそれを制御できるという考えは、非常に強力な概念です。」
集団から個人へ
1870 年代のロベルト コッホとルイ パスツールの時代以来、微生物学者は通常、個々のバクテリアではなく、バクテリアのグループを研究してきました。これの多くは必要に迫られたものでした。科学者が単一細胞を顕微鏡で観察するよりもはるかに多くのことを行えるようにするための技術は存在しませんでした。その上、バクテリアがすべて同一であれば、すべての細胞を研究する必要はないように思われます.栄養豊富なゼリーのプレートに置かれた個々の細胞は、元の細胞のすべてのクローンである目に見える細胞のコロニーを形成するまで分裂し続けます.このコロニー内のすべてのバクテリアは、同じ環境に置かれた場合、同じ行動、生理機能、物理的外観、つまり同じ表現型を示すことが期待できます。概して、彼らはそうしました。
しかし、1940 年代に抗生物質が開発されたことで、奇妙な異常が明らかになりました。多くの場合、抗生物質の殺傷力に完全に敏感な細胞のグループでさえ、抗生物質はすべての細菌を全滅させませんでした.生き残った細胞は「持続性」と見なされました。彼らはただ身をかがめ、ペニシリンまたは同様の薬の化学弾幕を待ちました。当初、科学者たちは、抗生物質治療の前でさえも、よりゆっくりと成長する遺伝的に特徴的な亜集団に由来する可能性があると考えていました.しかし、微生物学者がどの細胞が永続化するかを予測できる遺伝子を探したとき、彼らはがっかりしました.
ベルギーのブリュッセル自由大学の微生物学者であるローレンス・ヴァン・メルデレンは、「そのような[明確に永続的な]部分集団はありませんでした」と述べています。 「すべての集団で、探せば何人かの持続者を見つけることができます。」科学者にとって、これは大きな問題を引き起こしました:同一のバクテリアがどうしてこれほど根本的に異なる行動をとることができるのでしょうか?
1970 年代後半までに、研究者は 1 つの可能な答えを特定しました。カリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、遺伝的に同一の細胞であっても、ランダムな偶然だけで異なる行動につながる可能性があることを示しました.鞭のような鞭毛を持つ細菌は、直線的に泳ぐことも (「ランニング」と呼ばれる)、ランダムな方向に飛び出すこともできます。泳いでいる細胞は、周囲の環境を積極的にサンプリングして、多くの時間を転がりながら過ごします。しかし、栄養素の濃度を高め、毒素や捕食者から遠ざけるには、バクテリアは直行を使用する必要があります.勾配を感知できなくなると、タンブリングに戻ります。
E を研究しているバークレーの微生物学者。大腸菌 アスパラギン酸やL-セリンなどのさまざまな化学誘引物質の濃度が異なると、各細胞が遊泳を停止し、転がり始めることがわかりました。ランダムな統計的変動と、実験中のありそうもない自然突然変異による影響を考慮した後でも、研究者は、ランニングとタンブリングにおける細胞の顕著で永続的な個体差を説明できませんでした.イェール大学の生物物理学者 Thierry Emonet によると、その謎は「大したこと」でした。
この研究は、単一の遺伝子が単一のタンパク質を作り、その後、すべての細胞が同じ環境にあるときに一貫した挙動を引き出すという考えの全盛期に登場しました。バクテリアのバッチに関する1世紀にわたる実験の後、科学者は「同一の」形質におけるわずかな全体的な偏差に慣れていましたが、彼らのデータは依然として平均値の周りに密集する傾向がありました.対照的に、バークレーの科学者たちは、誘引物質に対する感受性が、単一の平均値ではなく、広い濃度にわたって不鮮明であることを発見しました.彼らの論文は、個々のバクテリアの遊泳行動における細胞ごとの実質的な変動を示すことにより、一般的な仮定に異議を唱えました。抗生物質に対する細菌の反応の癖として、表現型の不均一性を無視することはもはやできません.
研究者は、この個性が、各細胞がタンブリングをどれだけ厳密に調節しているかと、L-セリンへの応答の両方に起因することを知っていましたが、特定の細胞におけるこの変動を定量化することはより困難でした. 2002 年、輝く E.大腸菌
現在カリフォルニア工科大学に在籍している生物物理学者のマイケル・エロウィッツは、2 つの蛍光遺伝子 (1 つは黄色、もう 1 つはシアン) を大腸菌の標本に挿入しました。 .蛍光遺伝子はまったく同じ機構の制御下にあったため、バクテリアは均一な緑色に光り、黄色と青色が常に混ざり合っているというのが一般的な通念でした.
しかし、彼らはしませんでした。 Elowitz と彼の同僚は、黄色とシアンの蛍光の比率が細胞ごとに異なることを発見し、同じ環境内の細胞間で遺伝子発現が異なることを証明しました。チームは、2002 年の Science でその変化を正確に説明しました。 紙。 van Melderen によると、この研究は表現型の異質性の研究にルネッサンスを巻き起こしました。
多様性の選択
顕微鏡とマイクロフルイディクスの進歩により、研究者は Elowitz の 2002 年の発見に基づいて急速に構築することができました。 2 つの特定の細胞行動 — 走化性、または化学的勾配に沿ったナビゲーション、および微生物のストレス応答 — が彼らの実験で顕著に現れました。 Global Viral の微生物学フェローで、米国の Chris Marx の研究室でポスドクとして細菌の個性を研究している Jessica Lee によると、これらの反応はどちらも実験室で簡単に測定でき、変化する環境に細胞が反応できるためです。アイダホ大学
走化性を取る。バクテリアが好きなものに向かっている場合、より多く泳ぎ、転がりにくくなります。しかし、バークレーの科学者が 40 年前に発見したように、彼らがこの切り替えを行うポイントは個人によって異なります。その後の実験により、CheY と呼ばれるものなど、走化性タンパク質のファミリーの存在が明らかになりました。細菌が運ぶこれらのタンパク質のコピーが多いほど、泳ぐ代わりに転倒する可能性が高くなります.タンパク質の生産に影響を与える環境圧力がなくても、一部の細菌は任意の時点でランダムに CheY のような分子を多く持っている可能性があります。 Lee、Emonet、およびその他の研究者は、この先天的な変動性により、細菌の集団は、避けられない環境変化に対処するための走化性タンパク質の最適量についての賭けをヘッジすることができると仮説を立てています.
Lee は、植物に生息するバクテリア Methylobacterium extorquens におけるこの賭けヘッジ行動の研究に数年を費やしました .植物は光合成の副産物として酸素を放出しますが、一部の植物はメタノール (木材アルコール) も放出します。その名前が示すように、M.催事 このメタノールは食品として使用できますが、最初のステップでは化学物質をホルムアルデヒドに変換する必要があります。ホルムアルデヒドはバクテリアにとって有毒であるため、防腐剤として機能する刺激性の化学物質です。 M.催事 バクテリアは、ホルムアルデヒドを毒性の低い代謝物にできるだけ早く分解することで、自分自身を守ります。それが、バクテリアが本質的に「自分自身をピクルスにしない」ことができる方法です、とリーは皮肉を言った.
メタノールは常に利用できるとは限らず、ホルムアルデヒドを完全に分解するための代謝機構は、生成するのに多くのエネルギーを消費するため、M.催事 アルコールが実際に存在するまで、必要な酵素を作ることはほとんどありません.しかし、バクテリアはジレンマに直面します。彼らがメタノールを分解し始めるとき、必須酵素はまだ完全な能力で生産されていないので、ホルムアルデヒドの急増は細胞を殺すことができます.ホルムアルデヒド濃度の管理は生死にかかっています。
しかし、Lee と Marx が発見したのは、個々の細胞がホルムアルデヒド濃度に対して異なる感受性を持っているということでした。科学者たちが今年初めにプレプリント サーバー biorxiv.org に投稿した論文で説明したように、すべての細胞が遺伝子クローンであったにもかかわらず、同胞のほとんどを死滅させるホルムアルデヒド濃度に直面しても、一部の細菌は増殖し続けました。
「これを説明できる唯一の方法は、完全に同一であると考えられていたバクテリアが、実際には同一ではない方法で行動していた可能性があるということでした」とリーは言いました。このホルムアルデヒド耐性亜集団の生理機能の何か — 科学者はまだ何を知らないのか — 致命的な化学物質の存在下で生き残り、繁栄することを可能にします.これは賭けヘッジ戦略の完璧な例だと、Lee 氏は言います。
しかし、この異質性は、細菌群集の一部のメンバーの生存率を改善する以上の意味を持っている可能性があります.科学者たちはまた、その細菌の個性が多細胞生物の進化に寄与した可能性があるというヒントも発見しました.
たとえば、エジンバラ大学の生物物理学者 Teun Vissers による実験では、E.大腸菌 クローンは、表面にくっつく能力が異なります。これらの違いの賭けヘッジの説明は、他の細胞が洗い流されても一部の細胞が生き残る可能性があるため、細菌群集全体が利益を得るということです.
しかし、ETH チューリッヒの微生物生態学者 Martin Ackermann は、追加の仮説を強調しています:サルモネラ に関する彼自身の研究 他の生物は、同一の細胞のグループが多様化すると、それらのタスクの一部を分割し、特定のプロセスに特化し始めることができることを示しています.
「サブポピュレーション間の何らかの相互作用を通じて利益が生まれます。分業の方が、状況を表すより正確な用語だと思います」と、アッカーマンは言いました。進化論者は、多細胞生物の出現を促進する可能性のある主要な要因として、単細胞生物のコレクション間での分業とその後のタスクの専門化をしばしば挙げています。
重要な問題は次のとおりです:これらのバクテリアを遺伝学でないとしたら、何がこれらのバクテリアを異なる個体にしているのでしょうか?このバリエーションのソースは何ですか？研究者はまだ答えを探していますが、この個性が単にシステム内のノイズの結果ではないことは明らかです.ランダムな要因が考えられるかもしれませんが、特定のメカニズムも何らかの形で細菌集団全体の細胞間の違いに影響を与えているようです.
結核菌 Mycobacterium tuberculosis に関するレゴの研究 そして近縁種は、有糸分裂細胞分裂中にどのようにいくつかの違いが生じるかを示しました。細菌が分裂するとき、2 つの同一の娘細胞は生成されません。代わりに、分裂の前段階で細胞が成長および伸長するにつれて、追加の細胞物質を合成する必要があります。この物質は元の細胞の片側に集中する傾向があるため、一方の娘細胞は他方よりも新しい部分を継承します。この偏りは、M のようなバクテリアで特に顕著です。結核 . Rego は、この非対称性のほぼすべての原因となる遺伝子を見つけることができ、それを操作して 2 つの娘細胞をより均等にすることで、バクテリアの応答における不均一性をほぼすべて排除しました。この結果は、バクテリアの個性が適応優位であることを示唆しています。
細菌の個性の起源と機能を理解する上でのこれらの最近の進歩は、そのような非遺伝的利益が何十億年もの進化にわたって維持できるというパラドックスをまだ完全には説明していません.この異質性を維持する秘訣は、形質そのものではなく、これらの形質が細胞レベルでどのように調節されているかにあると科学者たちは考えています。活動が少なすぎても多すぎても死を意味するため、生命に不可欠な多くの遺伝子は厳密に制御されています。自然選択は、他の形質の調節に無関心である可能性があり、より高い変動性を持つ集団のより大きな生存を可能にする可能性さえあります.表現型の不均一性は、この 2 番目のカテゴリに分類されるようです。一部の生物の成長を遅らせることは、生物学的な行き止まりのように思えるかもしれませんが、これらの同じ細胞が抗生物質の嵐を乗り切ることができるのであれば、成長速度のより広い変動に対する耐性は良いことかもしれません. 「生物学では、単一の細胞が何かをしていることはありません。あなたは細胞のグループを持っています」とエモネットは言いました。 「多様性は、グループの平均的なパフォーマンスに影響を与えます。」
チューリッヒに戻って、サレクとカラーラの微生物競馬場では、これらの利点は、ゴールラインを駆け抜けるバクテリアと、スタートゲートからかろうじて出るバクテリアに見ることができます.数十億の同一のクローンではなく、バクテリアは、すべてが同じ DNA を共有している場合でも、驚くべき違いを示すことができます。そして、これらの微視的なドラマが時間の経過とともに展開するのを見ることによってのみ、科学者は、最も同一の個体群にさえ固有の多様性を理解するようになりました.
「それは微生物に対する私たちの見方を変えました」とヴァン・メルデレンは言いました。 「細菌やその他の微生物は、おそらく私たちが考えていたほど単純ではありません。この表現型の不均一性により、すべてのプロセスが複雑になります。」
