生物・環境

TSUKUBA FRONTIER #032:真核生物の起源を辿る 計算科学で埋めていく進化のパズルのピース

稲垣教授の写真

計算科学研究センター 稲垣 祐司(いながき ゆうじ)教授


1995年に名古屋大学理学部で博士(理学)を取得。1996-1997年、奨励研究員として(株)JT生命誌研究館にて勤務。その後、日本学術振興会海外特別研究員としてカナダ・ダルハウジー大学へ2年間派遣され(1998-2000年)、引き続き同大学で博士研究員として4年間勤務(2001-2004年)。2004年4月に長浜バイオ大学講師として帰国、2005年8月筑波大学に助教授として着任。2016年より現職。


生物の系統樹を計算で調べる

ヒトとサルが同じ仲間の生物であることは、互いの見た目が似ていることからも推察が可能です。同様に、DNAの配列が似ていれば、近い系統の生物であると考えることができます。生物間の系統関係がどのくらいの確率で確からしいのかを計算し、その配列がどのように進化してきたかを探るのが分子系統学です。


地球上の生物は、一つの生物から分岐して、多様な種へ変化しました。もちろん、最初の生物はすでに存在していませんし、DNA配列中のシグナルは、進化の過程で上書きされてしまうので、古い歴史を示すシグナルほど、現在の生物からは失われていきます。それでも何かしらの名残を見つけるために、大量の遺伝子や転写物のデータを使って解析を行います。そうすることで、過去の系統関係が高い信頼性で復元できます。このような作業を重ねて生物の系統樹を遡れば、その大本に辿り着けるはずです。


進化の研究といっても、対象は様々です。人類の祖先を探ったり、作物がもつ遺伝子の機能を調べるような、比較的わかりやすいテーマもある中で、特に興味があるのは真核生物、つまり動植物や菌類など、遺伝物質(染色体)が核膜で覆われているような生物の起源です。進化の初期を知ることは、私たちの日々の生活の役に立つわけではありませんが、地球上で生物がどのように誕生したのか、多くの人が関心を持っているでしょう。


まだ知らない生物を見つけ出す

私たちが知っている生物は、生物全体のごく一部にすぎず、まだ誰にも知られていない、分類されていない生物が、進化に関する重要な鍵を握っているかもしれません。ですから、未知の新しい生物を発見することも、大事な研究活動です。そういう生物の系統的な位置付けを、大規模なデータ解析で正確に推測することで、系統樹の全体像が少しずつ明らかになっていきます。でも今はまだ、その大きなパズルのピースが全部そろっていない状態。そのピースを探しながら、解析を進めています。


新種の生物は、筑波大の構内にある池や土の中にもいます。実際、兵太郎池から見つけた新種の微生物に「ツクバモナス」と名付けて報告しています。他にも、協定校のあるマレーシアなどでサンプリングを行ったりもします。そのような新種は、そこにしかいない、というわけではなく、どこにでもいるものですが、それを見つけ出すことは容易ではありません。目に見える大きさの動植物は、研究し尽くされていますから、探す新種は微生物です。採取した土や水の中から顕微鏡観察で選り分け、遺伝子配列を調べて他の生物と比較し、それがどの系統に属するかを同定したり、どこにも帰属しない場合はさらに詳しく調べます。


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生物学から計算科学へ

もともとの研究テーマはバクテリアでした。系統樹とは異なりますが、遺伝暗号の進化を研究していて、進化にはずっと興味がありました。計算によって系統樹を解析する手法は、20世紀後半ごろから提案されていましたが、当時は計算機の性能が低く、DNA配列のデータも少なかったため、できることは限られていました。しかし、遺伝子についての解明が進み、高性能の計算機も登場して、系統関係を知るための手段として手軽に使えるようになりました。


計算機や計算手法に精通していなくても、ソフトウェアは豊富にあるので、あまり苦労は感じません。物理学などに比べれば、計算量もそれほど多くはないものの、1回の計算には、スパコンを使って1~2日かかります。データ量や条件を変えながら、繰り返し計算しますから、なかなか大変な作業です。とはいえ、筑波大は生物学も計算科学も世界的にもトップレベル。その両方の研究者と協力して研究できるのは、大きなメリットです。


単細胞生物でも、ヒトの100倍以上のゲノムを持つものも珍しくありません。その中には、繰り返し配列や意味不明の配列もたくさんあり、解析は複雑です。進化の過程で他の生物から取り込んだ遺伝子が含まれていることも多いので、遺伝子配列のデータベースと照合して、それらの配列の由来を明らかにすることが重要です。新しい配列が見つかれば、データベースに登録し、世界中で共有するのがルールです。


直感力も研究を前進させる大事な資質

真核生物の祖先は、古細菌の一部の系統ではないかと考えられていますが、地球上に山ほどいる古細菌のほとんどは、これまで見過ごされてきており、培養もされていません。サンプルから生物を単離するのではなく、環境中に存在しているDNAを一括して取り出し、それを解読するメタゲノムシーケンスという方 法が登場し、膨大な解析ができるようになりました。混合物の中からさまざまな特徴の配列データを見つけ、復元することもできます。これによって、これまで培養されていた古細菌とは全く異なるバクテリアがたくさんいることがわかってきました。


究極の研究目標である、一番原始的な真核生物を知るためには、データや解析技術はもちろんですが、それぞれの計算で何を明らかにするか、結果としてどんな情報を得たいか、を適切に設定するセンス、直感も必要です。いくら計算機の能力が向上しても、手当たり次第に計算するのはあまりに不効率。そのセンスを養うのは、興味を持つことに尽きます。興味の範囲外のものは見逃してしまうこともありますが、知りたいという気持ちの強さが、直感力も高めるのです。


どんどん変わるパズルを解き続ける

従来信じられていた生物間の近縁性が、新しい研究によって覆ることはしばしば起こります。それは解析手法の進歩や、どのような前提条件に基づいて解析するかによるもので、過去の研究が間違っていたということではありません。ですから、今の技術や知識でできる最善の解析をして、現時点で最も確からしい結果を提示する、というのが、研究と向き合う正しい姿勢です。その結果も、将来、書き換えられるかもしれないのです。


新しい知見が得られれば、系統樹のパズルのピースも細かくなっていきますし、パズル全体のサイズも大きくなったり、ピースが足りない部分も見つかるでしょう。進化のごく初期を研究する競争相手は多くはありませんが、研究すればするほど、分からないことが増えていくのが、この領域の特徴でもあります。それを一つひとつ解き明かしていく。系統樹の全貌が明かされるまでには、まだまだ果てしない道のりが続きます。


筑波大学 計算科学研究センター 微生物分子進化研究室

微生物分子進化研究室の写真

地球上に生息する生物種のうち真核微生物に焦点を当て、その進化の道筋を解明するため、遺伝子(DNA)塩基配列やタンパク質アミノ酸配列などの大規模データを、スーパーコンピューターを用いて統計学的に解析し、系統関係を推測している。様々な自然環境からの新しい微生物の採取・単離や、より精度の高い系統解析法の研究にも取り組んでいる。これらの研究を通じて系統樹を遡り、最も原始的な真核生物の姿や遺伝子構造に迫ることを目指す。
(研究室URL: https://sites.google.com/site/memicrobes/home