細菌は、分離された細胞が顕微鏡のスライド上をいじり回るという不幸な、そして不正確な一般的なイメージを持っています。しかし、科学者がバクテリアについて学べば学ぶほど、都市、法律、言論に言及せずに人間の行動を理解しようとするなど、この隠者のような評判は誤解を招くものであることに気づきます。カリフォルニア大学サンディエゴ校の生物物理学者 Gürol Süel は次のように述べています。 「実際、自然界のほとんどのバクテリアは、非常に密集したコミュニティに存在しているようです。」
バクテリアにとって好ましい群集の形態は、バイオフィルムのようです。歯の上、パイプの上、岩の上、そして海の中では、微生物が数十億単位で集まり、それらの周りに粘着性のある有機的な上部構造を構築します.これらのフィルムでは、バクテリアは労働を分割することができます.外側の細胞は脅威をかわすことができますが、内側の細胞は食物を生産します.そして、互いに協力することで大部分の成功を収めてきた人間と同様に、バクテリアは共同体で繁栄します。自由に遊泳している細胞を簡単に駆逐する抗生物質は、同じ種類の細胞が膜の中に潜り込んでいる場合、役に立たないことがよくあります。
すべてのコミュニティと同様に、共存するバクテリアにはメッセージを交換する方法が必要です。生物学者は何十年も前から、細菌が化学的合図を使って行動を調整できることを知っていました。プリンストン大学のボニー・バスラーらによって解明された最もよく知られている例は、クオラムセンシングです。これは、細菌が十分に高い濃度になるまでシグナル分子を押し出し、細胞がバイオフィルムを形成したり、他の集団行動を開始したりするプロセスです。
しかし、ズール氏と他の科学者たちは、バイオフィルム内のバクテリアも互いに電気的に会話できることを発見している.バイオフィルムは、荷電粒子を使用して、広い範囲にわたって活動を整理し、同期させているようです。この電気交換は非常に強力であることが証明されているため、バイオフィルムはそれを使用して周囲から新しいバクテリアを募集したり、近隣のバイオフィルムと相互の幸福のために交渉したりしています.
プリンストン大学でクオラムセンシングを研究している生物物理学者のネッド・ウィングリーンは、「これらは間違いなく、ここ数年の微生物学における最も重要な進歩だと思います。 「私たちは、まったく新しいコミュニケーション方法について学んでいます。」
バイオ フィルムは、2012 年にサンディエゴに採用された若い教授として Süel がバイオ フィルムに注目し始めたとき、すでに話題になっていました。洞察を得るために、ズエルと彼の同僚は枯草菌のバイオフィルムを成長させました 、一般的に研究されている棒状の細菌であり、洗練された顕微鏡で何時間も観察しました。タイムラプス動画では、バイオフィルムが外側に拡大し、内部の細胞が、バクテリアが窒素源として使用するアミノ酸グルタミン酸の利用可能な蓄えを消費するのを見た.その後、グルタミン酸が補充されるまで、バイオフィルムの拡大は停止します。 Süel と彼の同僚は、内側のバクテリアがどのようにして外側の細胞にいつ分裂し、いつ冷却するかを伝えていることに興味を持ちました。
クオラムセンシングは明らかな容疑者でした。しかし、物理学の訓練を受けた Süel は、彼の Bacillus で化学メッセンジャーの拡散以上の何かが働いているのではないかと疑っていました。 コロニー。彼は、細胞の外膜に寄り添い、荷電粒子を出し入れする特殊な分子であるイオンチャネルに注目しました。イオン チャネルはおそらく、神経細胞またはニューロンでの役割で最も有名です。ほとんどの場合、ニューロンは、単一の正電荷を持つナトリウム イオンを送り出し、異なる数のカリウム イオンも単一の正電荷を持って取り込みます。結果として生じる電荷の不均衡は、ダムの後ろに水が溜まるように機能します。電気インパルスがニューロンの膜に衝撃を与えると、特殊なチャネルが開き、濃縮されたイオンが流入および流出できるようになり、ダムの水門が実質的に開きます。この交換はニューロンに沿って伝播し、脳内で情報を運ぶ電気的な「活動電位」を生み出します。
Süel は、細菌もその膜を介してイオンを送り出すことを知っており、最近のいくつかの論文では、脳で見られるものと少なくとも大まかに似た、細菌の電気活動のスパイクが報告されていました。細菌も活動電位メカニズムを使用して電気信号を送信している可能性はありますか?
彼と彼の同僚は、研究室でカリウムとナトリウムイオンによって活性化される蛍光マーカーでバイオフィルムを処理し、イオンが飢えた細胞から流出するとカリウムマーカーが点灯しました.イオンが近くの細胞に到達すると、それらの細胞はカリウムも放出し、シグナルをリフレッシュしました。信号は、バイオフィルムの端に到達するまで、このように外側に流れました。そして、信号に応答して、内側の細胞が食事を取ることができるようになるまで、端の細胞は分裂を停止し、その後、カリウムの放出を停止しました.
Süel のチームはその後、カリウム チャネルを持たない変異細菌を作成し、細胞が同じように増殖しないことを発見しました。 (研究者はまた、実験で標識されたナトリウム イオンの動きを確認しませんでした。) ニューロンと同様に、バクテリアは明らかにカリウム イオンを使用して電気信号を伝達します。Süel と彼の同僚はNature 2015年。
神経活動と類似しているにもかかわらず、バイオフィルムは単なる脳のようなものではないことを Süel は強調します。カリウム チャネルに加えて速効性のナトリウム チャネルに依存する神経信号は、1 秒あたり 100 メートルを超える速さで進むことができます。これは、動物が狩猟などの洗練された素早い動きの行動を行うために重要な速度です。 Bacillus のカリウム ウェーブ 1時間に数ミリという比較的亀に似た速さで広がる。 「基本的に、私たちはこれらのバイオフィルムで原始的な形態の活動電位を観察しています」と Süel 氏は言います。 「数学的な観点からは、両者はまったく同じです。その方がはるかに速いというだけです。」
細菌ブロードキャスト
しかし、Süel と彼の同僚は、その電気信号についてさらに疑問を持っていました。カリウム駆動の電気活動の波がバイオフィルムの端に到達すると、電気活動は停止する可能性がありますが、環境に放出されたカリウムイオンの雲は継続します.したがって、研究者は、カリウム波がバイオフィルムを離れると何が起こるかを調べることにしました.
最初の答えは、今年初めに Cell で得られました Bacillus であることを示した論文 バクテリアはカリウムイオンを使って自由に遊泳する細胞を群集に動員しているようです。驚くべきことに、バクテリアは他のバチルスだけでなく引き付けました だけでなく、無関係な種。細菌は、単一培養だけでなく、多様なコミュニティで生きるように進化したようです.
数か月後、科学で 、Süelのチームは、カリウムシグナルを交換することにより、2つのバチルス バイオフィルムは栄養素を「時分割」することができます。これらの実験では、2 つの細菌群集が交代でグルタミン酸を食べ、バイオフィルムが限られた栄養素をより効率的に消費できるようにしました。この共有の結果、バイオフィルムは、バクテリアが中断することなくできるだけ多く食べた場合よりも速く成長しました.研究者が弱いシグナルを出すように改変されたイオンチャネルを持つバクテリアを使用したとき、バイオフィルムはもはや彼らの摂食を調整することができず、よりゆっくりと成長しました.
細菌がどのように電気的に通信するかについての Süel の発見は、細菌研究者を元気づけました。
南カリフォルニア大学の生物物理学者である Moh El-Naggar は、次のように述べています。 El-Naggar は、彼がナノワイヤと呼んでいる特殊な細いチューブを使用して、細菌がどのように電子を伝達するかを研究しています。この伝達は電気通信の一形態と考えることもできますが、El-Naggar 氏は、細菌がニューロンと同様に振る舞うと誰かが示唆した場合、以前は「ブレーキをかけた」と述べています。 Süel の 2015 年の論文を読んでから、彼は考え方を変えました。 「私たちの多くは、これからどうなるか楽しみです」と彼は言いました。
ミシガン州立大学の微生物学者であるジェンマ・レゲラ氏にとって、最近の発見は、彼女が生物学者の仲間に対して長い間行ってきた議論を補強するものである.光、音、電気などの物理的シグナルは、細菌にとって化学的シグナルと同じくらい重要である. 「おそらく [Süel の発見] は、科学コミュニティと科学コミュニティ外の [人々] が、細菌間の物理的コミュニケーションの他の形態についてよりオープンに感じるのに役立つだろう」と Reguera 氏は述べた.
研究者を興奮させているのは、細菌間の電気シグナル伝達が、化学的に媒介されたクオラムセンシングよりも強力であるという兆候を示していることです。化学信号は、特定の集団行動を調整するために重要であることが証明されていますが、信号を発しているバクテリアのすぐ近くを超えると、すぐに希釈されて消えてしまいます.対照的に、Süel のチームが発見したように、バイオフィルムから放出されたカリウム信号は、典型的な細菌細胞の幅の 1,000 倍以上にわたって一定の強度で移動できます。実験。クオラム センシングとカリウム シグナル伝達の違いは、山頂からの叫び声と国際電話をかけることの違いに似ています。
さらに、化学物質は、それらに同調する特定の受容体を持つ細胞とのみコミュニケーションを可能にします、と Wingreen は指摘しました。しかし、カリウムは、動物のニューロン、植物細胞、そして科学者がますます発見しているバクテリアによって共有される普遍的な言語の一部であるようです.
普遍的な化学言語
「私は個人的に、これまでに見たすべての単細胞生物で [正電荷を帯びたイオン チャネル] を発見しました」と、テキサス A&M 大学の生物学者で、大学院で Süel の研究室の仲間だった Steve Lockless は言いました。このように、バクテリアはカリウムを使って互いにだけでなく、おそらく人間を含む他の生命体と話すことができます.ロックレスは、スーエルの2015年の論文への解説で推測しました.研究によると、細菌は宿主の食欲や気分に影響を与える可能性があります。おそらく、カリウムチャネルは、王国間のコミュニケーションチャネルを提供するのに役立ちます.
ポンペウ ファブラ大学のシステム生物学の教授であるジョルディ ガルシア オジャルボ氏によると、微生物がカリウムを使用するという事実は、これが植物、動物、その他の生命体を構成する真核細胞が細菌から分岐する前に発達した太古の適応であることを示唆しています。 Süel の実験をサポートするために理論モデリングを提供したバルセロナで。細胞間コミュニケーションの現象については、細菌チャネルが「行動全体の進化上の祖先の良い候補かもしれない」と彼は述べた.
この発見は「非常に興味深い研究」であると、シカゴ大学の細菌遺伝学者 James Shapiro 氏は述べています。シャピロは、大胆な仮説を恐れていません。彼は、細菌のコロニーが何らかの形で認知できる可能性があると主張しています。しかし、彼は神経細胞とバクテリアの類推に慎重に取り組んでいます。 Süel がこれまでに示したカリウムを介した行動は、脳が進化したタイプの洗練された回路を必要としないほど単純なものである、と Shapiro は述べた。 「どの程度の情報処理が行われているのか正確には明らかではありません。」
スエルは同意します。しかし、彼は現在、バイオフィルムの情報量を定量化することよりも、バクテリアができる他の偉業を明らかにすることに興味を持っています.彼は現在、多様な細菌種のバイオフィルムが、純粋なBacillusのバイオフィルムと同じように時間を共有しているかどうかを確認しようとしています。
彼はまた、彼が「細菌バイオフィルム電気生理学」と呼んでいるものを開発したいと考えています。これは、神経科学者が数十年にわたって脳を調べてきた方法で、細菌の電気的活動を直接研究するための技術です。バクテリア用に設計されたツールは、バクテリアの電気的活動を検出するためにニューロン用に設計された電極を使用したイタリアのフィレンツェ大学の研究者であるElisa Masi氏によると、大きな恩恵をもたらすでしょう。 「私たちは本当に、本当に小さい細胞について話しているのです」と彼女は言いました。 「彼らの代謝活動を観察することは難しく、電気信号を測定するための特定の方法はありません」.
Süel と彼の同僚は現在、ハワード ヒューズ医学研究所、ビル アンド メリンダ ゲイツ財団、シモンズ財団 (Quanta を発行している) からの 150 万ドルの助成金の一部として、そのようなツールを開発しています。 ).
この発見は、新しい種類の抗生物質やバクテリアにヒントを得た技術にもつながる可能性があるが、そのような応用は何年も先のことだと Süel 氏は述べた。より直接的な見返りは、バクテリアに関する私たちの概念に再び革命を起こすことへの興奮です. 「過去数十年で細菌に対する私たちの理解がどのように進化したかは驚くべきことです」とエルナガーは言いました.彼は、海洋などの複雑でイオンに満ちた自然環境で、カリウム シグナル伝達がどのように機能するかについて興味を持っています。 「今、私たちは [細菌] を環境中の電子とイオンを操作するマスターと考えています。これは、私たちが非常に単純な生物として考えていた方法とはかけ離れています。」
「バクテリアがしないと私たちが考えていることはすべて、実際にはやっていることがわかりました」と Wingreen 氏は述べています。 「台座から私たちを追い出しています。」
