種の起源についての最後の段落 、チャールズ・ダーウィンは読者に、「さまざまな種類の多くの植物で覆われ、茂みで鳥がさえずり、さまざまな昆虫が飛び交い、湿った大地を這う虫がいる、絡み合った銀行を熟考する」ように促しました。これらの植物、鳥、昆虫、ミミズは、それらが埋め込まれた生態学的要因の複雑なネットワークのために、すべて進化したと彼は続けた.気温がもっと高かったり、水がもっと酸性だったり、特定の種類の草がなかったりしていたら、代わりに非常に異なる「絡み合った土手」が進化していたかもしれません.
研究者は通常、環境要因の進化的影響を 1 つずつ解明しようと試みてきました。しかし、環境の完全な生物多様性 — 絡み合った土手自体全体 — は、種がどのように進化するかに決定的な影響を与える可能性もあります.
最近、Nature に論文が掲載されました 細菌種が非常に単純な生態学的共同体 (他の種類の微生物が数種類しか含まれていないもの) に存在する場合でも、捕食性バクテリオファージ ウイルスに対して、ファージと一緒に放置された場合とは非常に異なる防御戦略を進化させることがわかりました。英国シェフィールド大学の進化生物学者で、この研究には関与していない Michael Brockhurst 氏は、この研究は「これらのアイデアを、細菌が他の種の負荷と一緒に存在するマイクロバイオームのコンテキストに拡張しています」と述べています。
この発見は、それ自体が進化要因としての生物多様性の価値を高めるだけでなく、隔離された種の実験室での研究から引き出された微生物の行動と能力に関する以前の結論が非常に不完全である可能性があることを示唆しています。また、細菌の薬剤耐性を打ち負かすために考えられているいくつかの戦略についても注意が必要です。
必要な手段による抵抗
科学者は、共進化について学ぶために、バクテリアやバクテリオファージ ウイルスを利用することがよくあります。どちらも、実験室で制御および測定できる、永遠の急速な進化の対立に閉じ込められています。
はるか昔、細菌 (または古細菌の仲間) は、ウイルスを阻止するための巧妙なシステムを進化させました。CRISPR と呼ばれるゲノム機能は、バイオテクノロジーのツールとして過去 10 年間で有名になりました。 CRISPR は適応免疫システムのように機能します。これにより、ウイルスにさらされた細菌は、その感染の遺伝的「記憶」を子孫に伝えることができます。これにより、繰り返しの感染に対するより優れた防御を確立できます。これは非常にうまく機能するシステムであり、すべての細菌種の推定半分が CRISPR を使用しています。
しかし、多くの微生物学者を困惑させているのは、CRISPR を使用する細菌と使用しない細菌がある理由です。 CRISPR を備えた細菌は、細菌界全体にほぼランダムに散らばっており、ゲノムに CRISPR を持つ細菌でさえ、一貫して CRISPR に依存しているわけではありません。
研究者は、バクテリアがファージの侵入を拒絶するために使用する他の多くのシステムを発見しました.しかし、実験室での研究では、細菌は主に、表面ベースのファージ耐性として知られるものを発達させます。突然変異は細菌細胞の表面にある受容体分子を変化させるため、ファージはそれを認識して侵入できなくなります。
この戦略は、ドアを閉めて鍵を捨てることに似ています。ウイルスによる感染からバクテリアを完全に保護します。しかし、その保護にはかなりの代償が伴います。なぜなら、受容体が提供していたはずの栄養素の取り込み、廃棄物処理、コミュニケーション タスク、またはその他の細胞機能を混乱させ、細胞の適応度に一定の損害を与えるからです。
対照的に、CRISPR は、ウイルス感染時に細胞が活動しているときにのみ、細胞のリソースを引きずります。とはいえ、CRISPR はよりリスクの高い戦略です。つまり、ファージがすでに細胞に侵入するまでは機能しません。つまり、ウイルスがそれを克服できる可能性があるということです。 CRISPR はウイルス DNA を攻撃するだけではありません。また、細菌が抗生物質耐性を付与するような他の微生物から有益な遺伝子を取り込むのを防ぐこともできます.
コストと適合性のトレードオフに影響を与える要因は何ですか?過去 6 年間、イギリスのエクセター大学の進化生態学者である Edze Westra は、この疑問に対する答えを追求するチームを率いてきました。 2015 年に、彼らは栄養素の利用可能性とファージ密度が Pseudomonas に影響することを発見しました。 細菌は、表面ベースまたは CRISPR ベースの耐性に依存していました。リソースが乏しい環境では、受容体の改変はより負担が大きかったため、CRISPR の方が有利になりました。資源が豊富だったとき、バクテリアはより密集して増殖し、ファージの流行がより頻繁になりました.その後、細菌は感染から完全に遮断するためのより大きな選択圧に直面し、受容体をシャットダウンして表面ベースの耐性を獲得しました。
これにより、表面ベースの耐性が実験室の培養で非常に一般的である理由が説明されました.栄養素が豊富な試験管で成長するこれらのバクテリアは、「休暇中です」とウェストラは言いました。 「彼らは素晴らしい時間を過ごしています。」
それでも、これらのルールは切り詰められたものではありませんでした。自然の高栄養環境にある多くのバクテリアは CRISPR を使用しますが、自然の低栄養環境にある多くのバクテリアは CRISPR を使用しません。 「それはいたるところにあります」とウェストラは言いました。 「それは、おそらくまだ何かが欠けていることを示しています。」
生物多様性が戦いを変える方法
次に、Westra の大学院生の 1 人である Ellinor Opsal は、別の潜在的な要因を提案しました。それは、細菌が生息する生物群集の多様性です。この要因の研究は難しいが、科学者たちはこれがバクテリアのファージ免疫に影響を与える可能性があることを以前に観察していた.たとえば、2005 年、テキサス大学オースティン校の生物学者 James Bull と、当時 (現在はミネソタ大学) の彼の大学院生である William Harcombe は、E.大腸菌 細菌は、2 番目の細菌種が存在する場合、ファージに対する免疫を進化させませんでした。同様に、カリフォルニア大学バークレー校の進化生物学者 Britt Koskella と彼女の大学院生の 1 人である Catherine Hernandez は昨年、Pseudomonas ではファージ耐性が生じなかったと報告しました。 細菌は実際の宿主 (植物) に住んでいますが、常に試験管内で免疫を獲得します。環境の多様性は、ファージに対する耐性が進化したかどうかだけでなく、その耐性の性質にも影響を与えるでしょうか?
それを調べるために、Westra のチームは新しい一連の実験を行いました。Pseudomonas の栄養条件を変更する代わりに ファージと共に成長するバクテリアに、他の 3 つのバクテリア種を追加しました — Pseudomonas と競合する種です。 リソースを探していましたが、ファージの標的にはなりませんでした。
シュードモナス属 通常、表面ベースの変異が発生します。しかし、競合他社と一緒にいると、CRISPR に頼る可能性がはるかに高くなります。さらなる調査により、より複雑なコミュニティ ダイナミクスがフィットネス コストをシフトしたことが示されました。バクテリアは、ファージを生き残る必要があるだけでなく、周囲のバクテリアに打ち勝たなければならなかったため、もはや受容体を不活性化する余裕がありませんでした。
これらの結果は、Westra のグループが、ファージが細菌群集においてより大きな多様性を生み出すことができるという以前の発見と一致した結果です。ファージ耐性に影響を与えることで、「現在、その多様性は実際にファージ側にフィードバックしている」と Koskella 氏は述べた。 「それが完全に一周するのを見るのは素晴らしいことです。」この種のフィードバック ループを理解することで、「ファージがコミュニティ コンテキストに与える影響について、より一般的な質問をすることができるようになります」と彼女は付け加えました。
1 つには、バクテリアが CRISPR ベースのファージ応答に移行したことで、別のより広範な効果がありました。 Westra のグループが Pseudomonas に成長したとき ガの幼虫の宿主では、表面ベースの耐性を持つバクテリアは病原性が低く、アクティブな CRISPR システムを持つバクテリアよりもはるかにゆっくりと幼虫を殺すことがわかりました.
これらの結果は、研究者の間で関心を集めている細菌感染と闘うためのアプローチであるファージ療法に直接的な影響を与えます。イェール大学の生態学者であり進化生物学者でもあるポール・ターナーのような科学者は、標的となる細菌の受容体変異を誘発して毒性を弱めたり、抗生物質に対する感受性を高めたりするファージを探しています。しかし、CRISPR ベースの耐性の進化が細菌の選択肢である場合、その戦略は「より複雑なコミュニティでは常に機能するとは限らない」とターナー氏は述べています。 (彼は、これがまだファージ療法の実験で問題として表面化していないことを認めました)。
Westra のチームは、他のグループとともに、現在、他の細菌系や環境におけるこれらの影響、および他のタイプの免疫について研究しています。彼らはまた、さまざまな種類の微生物の多様性が細菌のファージ耐性の進化にどのように影響するかを調査しています。一方、ハーコムと彼の同僚は、人間の腸内のマイクロバイオームのように、細菌種が競争するのではなく、生存のために協力し、互いに依存しているコミュニティで進化がどのように進行するかを研究しています.
他の人は、ファージ耐性を超えた進化的形質に注目しています。 8 月に発表された論文で、研究者チームは、生物多様性の増加が特定の抗生物質耐性遺伝子の拡散を防止することを発見しました。
おそらく最も重要なことは、これらの発見により、今後の実験に必要な複雑さのレベルについて科学者に洞察が得られることです。 「バクテリアとファージ、およびそれらがどのように相互作用するかについて、私たちが知っていると考えていることの多くは、これらの非常に単純な試験管実験から得られたものです」と Westra 氏は述べています。 「そして、これらの結果は、実際の生態系の複雑さを導入し始めると、うまくいきません。環境のリアリズムを考慮に入れる必要があります」 — たとえそれがはるかに困難な試みであっても.
「変化する世界でマイクロバイオームを管理し、生態系を管理しようとするとき、これは非常に重要です。」
