目を閉じて細菌を想像してください。おそらく、私たちの腸の大腸菌を想像しているのでしょう。 、またはブドウ球菌の光沢のある金色のボール、またはライム病のスピロヘータのコルクせん抜きの輪。種やその形に関係なく、あなたの心の目は単一の細胞、あるいはいくつかの自由に生きている細胞を想起させる可能性があります.
微生物学者のジュリア・シュワルツマン氏によると、この画像の問題点は、ほとんどの細菌がどのように生きているかを反映していないことです。多くの場合、バクテリアは粘着性分子を使用して自身を表面に固定し、バイオフィルムと呼ばれる大きくて安定した集団で成長します。歯のプラークはバイオフィルムです。カテーテルの感染、池のスカムのぬるぬるした緑色、バスタブの排水口を詰まらせるネバネバも同様です。
しかし、マサチューセッツ工科大学のオットー・コルデロの研究室でポスドク研究員として行ったシュワルツマンの最近の研究は、大規模な集塊を形成するための固定点がない外洋に浮遊する細菌でさえ、多細胞形態で存在することを示しています。
「信じられないほど素晴らしい構造を見ました」と彼女は言いました。
Schwartzman と Cordero とその同僚が Current Biology の最近の論文で示したように 、これらの多細胞形態は、バクテリアが単細胞生物で通常見られるよりもはるかに複雑な生活環を発達させたために生じました.
夕食会
シュワルツマンは、海洋細菌の多細胞性に関するこれらの発見にたどり着いたのは、より基本的なこと、つまり細菌がどのように食べるかについて学ぼうとしていたときです。
外洋では、多くの場合、海洋微生物の唯一のエネルギー源はアルギン酸と呼ばれるゼラチン状の炭水化物です。細胞膜を容易に通過できるグルコース、フルクトース、およびその他の単純な糖とは異なり、アルギン酸は長くコイル状のストランドで構成されており、多くの場合、それらを食べるバクテリアよりも大きくなります。シュワルツマンは、バクテリアがどのようにして効率的にごちそうを食べているかについてもっと知りたいと思っていました.アルギン酸を分解するためにバクテリアが分泌する消化酵素は、外洋で簡単に希釈されて洗い流される可能性があるからです.
そのため、彼女と Cordero の研究室の別のポスドクである Ali Ebrahimi は、発光する海洋細菌 Vibrio splendidus の成長を測定し始めました。 アルギン酸塩を含んだ暖かいブロスのフラスコで。多くの微生物学実験では、科学者は微生物に栄養素のバイキングを提供して、細胞ができるだけ早く分裂するように促しますが、シュワルツマンとエブラヒミのフラスコはビブリオを強制しました バクテリアは、海と同じように、比較的少量の特大アルギン酸ポリマーで生存します.
しかし、シュワルツマンがデータを収集し始めたとき、彼女は初歩的なミスを犯したと思いました。バクテリアが増殖すると、澄んだ琥珀色の培養液が濁ったシチューに変わります。シュワルツマンは、濁りを測定することで、フラスコ内の微生物の数を推定し、成長曲線を作成して、細胞の分裂速度を推定することができました。細菌学者は、数十年にわたってこの方法で増殖率を推定してきました。ポスドクとして、Schwartzman は何年にもわたってこれを何回行ったか数え切れませんでした.
彼女のビブリオの成長曲線 ただし、文化は、通常の滑らかに上昇する線ではなく、ジェットコースターの軌跡のようなでこぼこの波線を示していました。彼女がこのプロセスを何度繰り返しても、バクテリアは予想通りの濁りをブロスに生じさせませんでした.
極小のスノードーム
何が起こっているのかを確認するために、シュワルツマンは培養液の液滴を顕微鏡のガラス スライドに置き、レンズを通して 40 倍の倍率で覗き込みました。彼女とエブラヒミが見たものは、個々のビブリオの群れではありませんでした しかし、何百、何千ものバクテリアが一緒に暮らす美しい層状のオーブです。
「それは単なるバクテリアの塊ではありませんでした」とシュワルツマンは言いました。 「これは球状のもので、真ん中で細胞が混ざっているのが見えます。」
さらなる研究により、中空の球体はビブリオであることが示されました 海で食事をするという複雑な課題に対する のソリューションです。個々の細菌は非常に多くの酵素しか生産できません。 ビブリオの場合、アルギン酸の分解がはるかに速くなります 一緒にクラスター化できます。それは勝利戦略である、とシュワルツマンは言います — ある程度までは。 ビブリオが多すぎる場合 、バクテリアの数は利用可能なアルギン酸塩を上回っています.
バクテリアは、より複雑なライフサイクルを開発することで難問を解決しました。細菌は 3 つの異なる段階で生きています。最初は、個々の細胞が分裂を繰り返し、娘細胞が集まって塊になって成長します。第 2 段階では、凝集した細胞が再配置されて中空の球体になります。最も外側の細胞が互いに接着し、顕微鏡のスノードームのようなものを形成します.内部の細胞はより動きやすくなり、閉じ込められたアルギン酸を消費するにつれて泳ぎ回ります。第 3 段階では、脆弱な外層が破裂し、十分に栄養を与えられた内部細胞が解放され、サイクルが新たに開始されます。
実際には、ビブリオ 細菌は異なる遺伝子を使用して各段階での行動を制御し、細胞の不均一な混合物になります。細胞が構造内で隣接する細胞と相互作用するにつれて、「驚くほどの複雑さ」が現れると、1月に南カリフォルニア大学で自分の研究室を立ち上げようとしている Schwartzman 氏は述べています。 「バクテリアは常に環境から情報を取り入れており、環境を変える方法で反応することもあります。」
この複雑さは Vibrio に報われます いくつかの方法で。ライフサイクルを変更して多細胞段階を含めることで、バクテリアはアルギン酸を効率的に消化できます。バクテリアの数が増え、中空の殻が酵素を濃縮するのに役立ちます.一方、コミュニティの構造により、過剰な細胞が生まれることはありません。殻の中の細胞は繁殖の機会を失いますが、オーブの中の細胞はすべてクローンであるため、その DNA はいずれにせよ次世代に生き続けます。
多細胞性はどのくらい一般的ですか?
欧州分子生物学研究所で微生物発生の進化を研究しているジョルディ・ヴァン・ゲステルによれば、この研究は「美しい論文」であり、研究には関与していません。 Van Gestel は、この結果は、微生物グループの生活が例外ではなく、標準であるという考えを裏付けていると述べています.
「このような単純なバクテリアのライフサイクルの複雑さを見事に示しています」と彼は言いました。
オーストラリアのマッコーリー大学の微生物学者であるアナヒト・ペネシアンは、シュワルツマンとコルデロの研究は、細菌に関する先入観に役立つ挑戦を提供すると述べています。 「微生物は単一の細胞にすぎないということは、私たちの理解に深く刻まれています」と彼女は言い、結果として、研究者はしばしば、微生物の生命を支配する可能性のある複雑な行動を探していません. 「植物の種子や胞子を見て、植物全体がどのようなものかを推測しようとするようなものです。」
新しいビブリオ 今回の発見は、生涯の少なくとも一部で多細胞になる可能性がある微生物のリストに追加されます。昨年、ジョージア工科大学の研究者は、研究室の単細胞酵母がわずか 2 年で巨大な多細胞形態に進化したことを報告しました。そして 10 月には、日本の研究者が、洞窟の壁で多細胞構造に成長するバクテリアの発見を発表しました。岩が地下の小川に浸されると、構造物は種のような特殊な細胞を放出して、他の場所にコロニーを形成します。
Schwartzman と van Gestel はどちらも、多細胞性の能力は生命の歴史の早い段階で進化し、細菌の古代のいとこである古細菌と共有されていると信じています。古細菌も単細胞に見えます。彼らは、研究者が同様の特性を持つ他の種を見つけるのは時間の問題だと考えており、シュワルツマンはすでに探し始めています.
シカゴ大学の退職した微生物学者であるジェームス・シャピロは、彼女がそれを見つけることに疑いの余地はありません.
1980 年代から、シャピロや、プリンストン大学のボニー バスラーなどの微生物学の著名人は、よく研究されたバクテリアの単細胞ライフスタイルが、それらが培養された人工フラスコ環境の人工物であることが多いことを示しました。 Annual Review of Microbiology の 1998 年の記事 、シャピロは、細菌は単細胞の孤立者ではないと主張しました。 「基本的にすべての細菌は多細胞生物であるという結論に達しました」と彼は言いました。
シャピロは、40 年のキャリアの中で、彼の仮説が異端に近いものから議論の余地のないものへと変化するのを見てきました。 「最初は、私は困惑しただけでしたが、今ではそれが社会通念になっています」と彼は言いました。 「多細胞性はバクテリア固有の特性です。」
編集者注:Cordero は、Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems の共同ディレクターです。シュワルツマン、コルデロ、およびその同僚による研究は、この編集上独立した雑誌のスポンサーでもあるシモンズ財団による協力を通じて支援されました。
