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共生の層 - シロアリ後腸の微生物コミュニティの可視化

Layers of Symbiosis - Visualizing the Termite Hindgut Microbial Community

ジャレッドベターは、シロアリの後腸での生活の居住者の多様性を通じて、自然の散歩に私達を取る - 250異なる種を含有する微小環境は、地球上どこにも発見。ジャレッドは、このシステムが示す共生が多層であり、シロアリとその腸内の住民の間だけでなく、関係を含むだけでなく、腸内微生物は、自分達の中の共生の複雑なWebを含むことが明らかになった。

Jared Leadbetter氏が、シロアリの後腸に生息する生命の多様性について解説します。この微小環境には250種類もの異なる...

そのため、私にとってこれは、まるでミニチュアの「不思議の国のアリス」を訪れるエコツーリストのような気分だと時々人に話します。というのも、この系について他のどのような研究を行う前から、ただこれを見るだけで素晴らしい自然散策のように感じるからです。さて、光学的顕微鏡を用いてこれらの微生物を観察する方法はいくつかあります。この顕微鏡では暗視野顕微鏡観察が可能であり、暗い背景の中で細胞が白く見えたり、白く縁取られたりします。位相差顕微鏡観察では、グレーの背景に対して細胞や細胞の輪郭が暗く描写されます。通常の光学顕微鏡観察では、サンプルに着色されていない限りほとんど何も見えませんが、サンプルの実際の色を確認することができます。したがって、サンプルが緑色または赤色である場合、細胞内で実際にそれを観察できる可能性があります。また、DIC顕微鏡法と呼ばれる手法を用いることも可能です。これは微分干渉コントラスト（differential interference contrast）の略で、白と黒や暗いグレーのようなコントラストではなく、より月面の風景のようなエッジコントラストを得ることができます。双眼鏡で月を見たとき、全体は灰色ですが、ピントを合わせるとエッジが非常に鮮明に見え始めるのと同様です。現在、このDIC（微分干渉コントラスト）を用いてサンプルを観察するように設定しています。これにより、細胞の表面構造や、細胞が十分に大きく構造を持っている場合の内部構造を、より鮮明に観察することができます。他の顕微鏡観察では、細胞全体が明るい背景の中で灰色に見えたり、黒い背景の中で白く見えたりすることがありますが、ここでは細胞の表面や内部にある実際のテクスチャが見え始めます。また、私たちが保有している多くの原生動物や大型の真核生物においては、細胞内の構造だけでなく、木片などの粒子を確認することも可能です。ここでは現在、2つの腸内原生動物を観察しています。これらはopsis属に分類されます。これらはセルロース分解原生動物です。現在、中央に位置しているこの個体について、エッジのコントラストを出すために少し調整します。結果に多少のばらつきがあります。さて。お見事な映像です。例えば、これはトリコモナス属に関連する非常に大きな原生動物の一種で、水疱（ブレブ）が出始めています。病状が悪化し始めています。そして、側面にできているこれらの小さな水疱（ブレブ）の一部がそのようなものです。このDIC（微分干渉コントラスト）法を用いれば、実質的な光学切片を得ることができます。ですので、表面から進入することにします。表面にピントが合い始めました。長い線や深い溝で覆われているように見えます。ここから細胞内に入り、反対側へと通り抜けます。また、細胞の後方でこの操作を行うことで、核を確認することができます。ここでは表面を見ながら上に移動しており、核が見え、そして反対側が見え始めています。位相差顕微鏡で比較して確認すると、良好に見えます。これはエッジコントラストです。こちらも良好に観察でき、どちらを選択するかは好みの問題です。また、より薄い細胞については、この位相差コントラストの方がより鮮明に見えます。ここには2つのプロトソームが見えます。一つは中心にある小さなひだを持つもので、もう一つは束のような形をしたものです。DIC（微分干渉）イメージングによって、これらが非常によく捉えられています。また、いくつか調整を加えることができます。これは料理に似ており、「味付け」のように、サンプルを確認しながら、その個別のサンプルの細胞のテクスチャをより際立たせるための調整を行うことができます。ほぼ経験的に決定されました。ですので、ここからは観察に値する他の物体をいくつか探してみたいと思います。これはダークフィールド（暗視野）での観察です。ここでは、黒い背景に対して生物学的材料が明るい白色に見えています。ここでは、より小さな鞭毛虫のストロマを伴う大きなトリファが見られます。STRは、これらの大きな細胞の周囲を飛び回る、細い小さな虫のような形態としてズームアップされています。これらが、より小さな原生動物です。この環境には、サイズの異なるさまざまな種の原生動物が存在しています。非常に大きなtrifa、中サイズのtri opsis、そして非常に細長く、細菌に覆われたstroma STRsが見られます。ここで、いくつかのtrichy opsisとstromasを確認することができます。St stroma STRsは棒状の束です。Tri opsisは、細胞の周囲を非常に速く移動する小さなひだを持つ美しい小生物であり、より大きなtrifaも含まれます。これがtri opsisです。これは、これまでで唯一培養され、in vitro で研究されたシロアリ腸内原生動物であり、20年ほど前にこの原生動物に関する論文が3、4報発表されました。その後、培養株が失われ、誰も再培養することができなくなりました。しかし、この生物を用いた研究により、原生動物が木材に含まれる五炭糖および六炭糖のポリマーであるセルロースとキシランを発酵させ、酢酸、水素、CO2を生成することが明らかにされました。少しズームして説明します。ここにいくつかのスピキートがあります。中央にスピキートの鮮明なDIC画像が表示されています。コイルが見えますね。きれいに整ったコイルです。動いているのが分かります。あぁ、まだ生きていますが、いくつかは酸素によって少しダメージを受けています。多くの生物は酸素によって毒性を受けるためです。ウェットマウント（湿った状態で標本を作ること）を行う際、うまくいく時もあれば、そうでない時もあります。しかし実際には、これは本物のブッテです。ここの原生動物を観察してみます。ここに2、3匹います。縞模様があるように見える、細長い原虫がいます。DIC（微分干渉コントラスト顕微鏡）で観察すると、その様子が非常によくわかります。私はいつも、これらをファシスト原虫と呼んでいます。それはどういう意味でしょうか。10セント硬貨の裏面に描かれているこの棒の束を表すラテン語に fasis という言葉があります。そして、それは e pluribus unum 、つまり「多から一へ」という言葉を実によく言い表している言葉でもあります。私はこれをファシスト・プロテアソームと呼んでいます。なぜなら、プロテアソーム自体は実際には極めて薄いからです。これについて分かっていることはごくわずかですが、研究によれば、このプロトソームは細長い細菌の層で覆われていることが示されています。つまり、細長い棒状の原生生物（真核生物）が、長い毛のような細菌の層に覆われているということになります。ここでは、これらの毛の一部が実際に少しほつれ、剥がれ始めているのが見えますが、多くの場合、このような構造が観察されます。機能的には、それらが何をしているのか全く分かりません。したがって、これは見た目に素晴らしいという例です。ここには多くの原生動物が存在していることを示唆しているという意味で、刺激的な結果と言えます。宿主および細胞の系統発生を確認することができます。原生動物が何であるか、またそれに付着している種が何であるかは分かっています。しかし、原生動物とそれら細菌のいずれがどのような働きをしているのかは分かっていません。彼らの生理学的特性は何ですか？何を食べているのでしょうか？何を生成しているのでしょうか？それらは他の微生物とどのように相互作用しているのでしょうか。これらの産物は他の微生物や宿主にどのような影響を与えるのでしょうか。したがって、機能的な観点から、それらが全体のパズルのどこに当てはまるのかは分かっていません。おそらく、ここで多くに見られるこれらの細胞はすべて、共生関係にあり、相利共生に従事していると考えられます。つまり、システムやホストに対して実際に何らかの利益を提供している有益な微生物であるということです。しかし、この場合、重要なのは細部にあります。実際、確実なことは言えません。それらの生物がどのような役割を担っているのかについて、具体的な仮説も持っていません。ただ、鞭毛虫自体が細菌に覆われているという点は非常に興味深いことです。つまり、共生の上にさらに共生の層が重なっているような状態です。他のいくつかの原生生物では、細胞質内や細胞内に木材粒子を取り込んでいるのが見られますが、これらについては、木材粒子を取り込んでいるという証拠はありません。したがって、木材を分解しているとは言い切れません。実際、木材を分解しているかどうかは分かりません。むしろ、これらの細菌を特定の場所に配置することで、細菌が何らかの作用を起こし、おそらく原生動物に栄養を供給していると考えられます。これは、共生の中の共生の別の例と言えるでしょう。このトリコニファ（trichonympha）を見ると、ここで観察しているこの大きな原生動物は、押しつぶされたようなトリコニファです。前方から後方にかけて伸びる長い条線が見えます。しかし、もう少し詳しく見ていくと、前方端の方に小さな黒い点があるのがわかります。これらも細菌です。そしてこちらの原生動物は、外共生と内共生の両方を併せ持っています。表面が細菌の層で覆われているだけでなく、細胞内にも細菌を含んでいます。また、表面や内部に存在するそれらの細菌の生理学的特性についても、全く分かっていません。これらの原生生物がセルロースやキシランを発酵させることはある程度分かっていますが、これらの細菌がその全体像の中でどのような役割を担っているのかは不明です。つまり、根本的な何かが欠けていることになります。このシステムには多様性があり、多くの反応が見られるため非常に気に入っており、得られた知見も多くあります。しかし実際には、分かっていることよりも、分かっていないことの方がはるかに多いと考えています。

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JoVE Journal

Biology

生物学

California Institute of Technology - Caltech.  ジャレッドベターは、シロアリの後腸での生活の居住者の多様性を通じて、自然の散歩に私達を取る - 250異なる種を含有する微小環境は、地球上どこにも発見。ジャレッドは、このシステムが示す共生が多層であり、シロアリとその腸内の住民の間だけでなく、関係を含むだけでなく、腸内微生物は、自分達の中の共生の複雑なWebを含むことが明らかに?...

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