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TSUKUBA FRONTIER

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#019:コミュ二ケーションする微生物たち その「言語」を読み解き、人類との共生の新たなフェーズを拓く

#018 
材料の基本物性を探索する 着実な理解から導かれる革新的エネルギー技術

生命環境系 野村 暢彦(のむら のぶひこ)教授

1995年 広島大学大学院工学研究科博士課程修了 博士(工学)
1996年に筑波大学に着任して以来、微生物代謝やバイオフィルムに関する研究を続け、2013年より現職。その間、国立環境研究所、米国Dartmouth Medical Schoolの客員研究員等も務める。2015年に開始したJST/ERATO野村集団微生物制御プロジェクトでは、研究総括として、集団微生物の全貌解明に挑むとともに、若手研究者の育成や分野横断的な研究体制の推進にも力を注いでいる。


地球の覇者、微生物

 約46億年前の地球誕生から数億年後、最初に出現した生命体が単細胞の微生物です。多細胞生物が誕生するのが約9億年前ですから、地球の歴史上、ほとんどの期間は微生物しかいなかったわけで、その間に何度も生じた大きな環境の変動にも耐え、多細胞生物が生まれても絶滅することはありませんでした。それどころか微生物は、植物にも動物にも、もちろん人間の体内にも入り込んで生き続けています。
 最近注目されている腸内細菌もそのひとつ。つまり微生物は、人間が生きるために不可欠な役割を担っているのです。そのような重要な機能は、進化の過程で人間の遺伝子に組み込まれてもよさそうですが、微生物に頼る仕組みになっています。そう考えると、地球上の生物を維持し、支配しているのは微生物だということもできるでしょう。
 微生物は眼に見えないサイズで、空気、水、土、さらには普通の生物なら生きていられないような過酷な環境中にまで無数にいて、どんなに気をつけても接触は避けられません。病気の原因など好ましくない影響もありますが、むしろ微生物のことをよく知り、彼らの能力をうまく制御しながら共存する方が賢明です。そのための研究プロジェクトが進められています。

「集団」として微生物を捉える

 一方、人類はその存在を知るずっと前から、発酵や醸造など、経験的に微生物を利用し、文明を築いてきました。顕微鏡ができて、1680年に微生物として認識されると、抗生物質など積極的に活用するようになりました。人類の発展には、微生物の恩恵を受けた側面があることは否めません。
 微生物そのものも研究され、それぞれは単細胞ですが、単独で行動するのではなく、何億もの個体、しかもいろいろな種類の微生物が集まって存在していることがわかってきました。人間に例えると、異なる民族や人種、さらには犬ぐらいに離れた種までが、一つの集団に含まれています。それらは互いに助け合ったり、時には戦ったりしながらも、全滅するようなことはなく、集団を保っています。
 このような微生物の集団を「バイオフィルム」といいます。フィルムとはいっても平面とは限りません。立体的な塊になるなど、環境に応じて様々なパターンを形成し、あたかも全体として一つの多細胞生物のような挙動を示します。植物の葉の裏や池の中などにヌルヌルしたものを見たことがあるでしょう。それがバイオフィルム。自然界のどこにでもいるのです。

高度なコミュニケーション

 集団内での助け合いや争いは、どのように行われるのでしょうか。微生物たちは神経細胞ニューロンのようにネットワーク状につながります。そうして集団になると、細胞の外にいろいろな化学物質を放出します。これがヌルヌルの正体であり、彼らの「言語」です。ベシクルという粒子の中にメッセージを入れて花粉のように飛ばし、集団の外にいる細胞に届けることもできます。この化学物質を受け取ると遺伝子にスイッチが入り、特定の行動として現れます。遺伝子操作でその作用を阻害すると、集団が形成できなくなったり、環境変化への適応力が低下してしまいます。特に脳に相当する部分は存在しませんが、コミュニケーションによって集団の統率がきちんととれているときに、微生物はその力を発揮するのです。研究プロジェクトでは、このような微生物のコミュニケーションの仕組みを発見し、世界中のバイオフィルム研究に拍車をかけました。
 微生物の言語には、英語のように異種間でも通じる共通語もあれば、特定の種類にしか通じないものもあります。マルチリンガルや、おしゃべりだけれど話を聞かない、周囲と同調しないなど、微生物にもいろいろな個性があり、それらがひとつのバイオフィルムの中で共存している様子は、多様性に富み、高度なコミュニケーションが成立している一種のコミュニティ。単細胞の小さな生物が何十億年も生きながらえてきた秘訣が詰まっているのかもしれません。


イメージング解析

 バイオフィルム研究が進展する背景には、近年の解析技術の発達があります。従来は、細胞を壊して遺伝子を解析するという手法が用いられていましたが、共焦点顕微鏡を使って、染色などをすることなく、生きたままの集団の動きをリアルタイムで観察できるようになりました。また、集団を構成する個々の細胞に着目することも可能です。このようなイメージング解析技術でも、このプロジェクトは世界トップクラス。例えば歯の表面で微生物がどんどん増える様子や、薬剤を入れたときに、集団内で爆発のようなことが起こったり、細胞が外側からはがれていく様子などを、三次元で捉えることができます。
 百聞は一見に如かず。画像や動画は、誰にでも直感的に理解できる形で研究成果を示すために重要なツールです。そのベースとなる解析技術の開発は、これからの微生物研究には不可欠な要素です。そこで必要なのは生物学に加えて物理学や工学。さらに、コミュニケーションを理解するためには、化学や情報学の知見も駆使しなくてはなりません。研究プロジェクトには、そういった分野の研究者も含まれています。

微生物とのスマートな共生に向けて

 微生物を使った水処理は1900年代の初めから行われていますし、最近では花粉症対策として乳酸菌を摂取するなど、特定の微生物を体内に取り込んだり排除したりして健康増進を図ることも盛んです。しかし私たちはまだまだ微生物の本当の能力を知りません。下水にしろ、腸内にしろ、彼らは自分たちが住み良い環境にしたいだけですから、人間が求めるレベルまで力を出す必要はないのです。
 微生物の言語を理解したり、外的な刺激に対する反応を知ることは、人間が彼らとコミュニケーションする術を手に入れること。集団の一員のようにして微生物にメッセージを届け、本来の力を発揮させたり制限できるようになれば、有用か厄介者かという両極端な扱いではない、もっとスマートな微生物との共生関係が築かれるはずです。
 微生物を知れば知るほど、その生存戦略の緻密さに圧倒されます。生命とは何か、どのようにして維持していくべきか、最も単純で身近な生物が教えてくれることは、深い示唆に富んでいます。

JST/ERATO野村集団微生物制御プロジェクト

集団微生物の挙動や微生物間の相互作用を解明するために、野村暢彦教授の指揮のもと、2015年から5年間に渡って本学で実施されている研究プロジェクト。科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業総括実施型研究(ERATO)のひとつで、5つの研究グループで構成され、大学院生も含め総勢50名ほどの研究者が参加する。


 

(文責:広報室 サイエンスコミュニケーター)


(2017.10.10更新)

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