インタビュー - シロアリ後腸内微生物群集の調査

シロアリとその腸内微生物は、非常に興味深く複雑な相利共生の一例です。私は、シロアリとこれらの微生物を研究することで、昆虫と微生物の両方が利用可能な物質へと、リグノセルロースという非常に複雑な食物源を分解する際に、さまざまな構成要素が果たす多様な役割をより深く理解したいと考えています。私はジャレッド・レッドベターです。

私はカリフォルニア工科大学の環境微生物学の准教授であり、環境科学・工学プログラムに参加しています。Caltechには6年半在籍していますが、過去17年間にわたり、私の主な研究関心は、多様なシロアリの後腸に生息する微生物コミュニティの微生物学的研究にありました。マサチューセッツ州ウッズホールで開催される微生物多様性の夏季コースで学生としてシロアリの腸内微生物学に初めて触れて以来、私はシロアリの後腸に生息するさまざまな微生物種の正体と機能に非常に強い関心を持ってきました。

シロアリの後腸コミュニティは約250種の固有の微生物種で構成されており、これらは生命の3つのドメインすべてを代表しています。そこでは、メタゲノム解析によって、古細菌、嫌気性セルロース分解原生動物（単細胞真核生物）、そしてスピロヘータと呼ばれる細菌群の非常に多くの新種を含む多種多様な細菌を同定することができます。シロアリの中に生息し、自然界の他の場所では見られない約250種の異なる種が存在しますが、約100年にわたる研究を経ても、ホストである昆虫と微生物コミュニティとの間で展開される、極めて興味深い相利共生において、これらすべての異なる微生物がどのような機能を果たしているかについての理解は非常に不十分です。これらが共同してリグノセルロースを分解し、ホスト昆虫と各種微生物の両方の代謝を基本的に支える産物を生成しています。

過去16、17年にわたり、私はこれらの種が何者であり、どのような活動をしているのかを特定することに強い関心を持ってきました。これらの種が後腸内でどのように相互作用し、宿主にとってどのような利益をもたらしているのかということです。シロアリとその腸内微生物は、非常に興味深く複雑な相利共生関係の好例と言えます。

私は、シロアリとその共生微生物について研究し、非常に複雑な食物源であるリグノセルロースを、昆虫と微生物の両方が利用可能な産物へと分解させる過程において、さまざまな構成要素が果たす多様な役割をより深く理解したいと考えています。また、シロアリの腸内細菌を研究するもう一つの理由は、シロアリが地球規模で非常に重要な動物群であり、熱帯および亜熱帯地域の地球規模の炭素・窒素サイクルにおいて極めて重要かつ不可欠な役割を担っているためです。シロアリは極めて多様であり、非常に多くの種が存在し、かつ個体数も非常に豊富です。

これらの昆虫がどれほど成功しているかの一例として、彼らは小規模ながらも、地球規模のCO2およびメタンの重要な発生源となっています。シロアリは、大量の木材をこれらの生成物へと変換することで、全世界のCO2の約2％、および全世界のメタンの約4％に寄与しており、これは単一の動物群としては非常に大きな影響力です。したがって、これらの昆虫内に生息する微生物とその活動を研究することで、これらの昆虫についての理解を深め、世界的な成功の基盤を明らかにすることができます。

シロアリとその腸内細菌を研究することは、スケールと再現性の観点からも興味深いものです。また、あるレベルでは、非常に刺激的で複雑な環境であるため、シロアリの腸内細菌を研究しています。しかし、後腸の環境、すなわちこの後腸エコシステムは、他の多くの環境とは大きく異なります。

シロアリの後腸は体積が約1 µLと非常に小さく、腸上皮や昆虫の身体によって囲まれているため、境界が非常に明確です。そのため、この環境の範囲を具体的に定義することができます。また、この環境は非常に小さいため、シロアリを1箱に200匹集めれば、平均して同一の環境を何度も繰り返し再現することが可能です。

シロアリの腸内環境を、例えばサルガッソ海と比較すると、サルガッソ海は極めて広大です。その幅は数千キロメートルに及びます。その境界は定義されていますが、おそらく運用上の定義に過ぎません。

サルガッソ海には明確な境界線がなく、世界に一つしか存在しません。そのため、サルガッソ海を研究することで海洋科学について多くのことを学ぶことができ、その研究は非常に重要です。しかし、船で現地に赴かなければならないという、ある種の困難が伴います。

そこに生息する微生物について何らかの知見を得たとしても、それらの微生物がいつどこに存在しているかを特定することはできず、位置が数マイル離れている可能性もありますし、当然ながら個体は一つしか存在しません。そのため、サルガッソー海を研究し、何らかの摂動を与え、それを比較するための対照となるサルガッソー海を用意することは困難です。したがって、それらの腸内微生物を研究することで、実際には研究室での手法が適用可能な環境の例を得ることができるのです。

私たちはその環境を再現し、そこに摂動を与えて対照群と比較することができます。そして、これらのさまざまな微生物群や微生物種が、この1 µLの腸内環境という限られた空間のどこで相互作用しているかを、常に約1 mmの精度で把握することができます。そのため、私の研究室では、利用可能なあらゆる手法を用いてこの微生物コミュニティを研究し、その秘密を明らかにしたいと考えています。

確かに、こうした取り組みの一つの側面は、その微生物コミュニティに定着している種を育成しようとすることでした。研究室でのin vitroにおいては、250種類もの種が存在することは非常に複雑であり、細菌の純粋培養を研究できれば、研究の解釈において比類のない明快さが得られます。私たちの取り組みの一部は、この腸内コミュニティに入り込み、そこから単一の種を分離・培養し、それらの種の生理学、遺伝学、ゲノミクスを詳細に研究し、その結果から、その種がコミュニティ内でどのような機能を果たしていると考えられるかを反映させることに焦点を当ててきました。

その一例が、シロアリの腸管に関する我々の研究です。スピロケータ（Spirochetes）は螺旋状の生物であり、ほぼすべてのシロアリに大量に存在しています。シロアリにはスピロケータが存在しており、実際には梅毒の原因菌とかなり近い親戚関係にありますが、健康なシロアリすべてにこれらのスピロケータが見られます。

このように、長年にわたり、これらのスピロケータはおそらく共生しており、宿主にプラスの効果をもたらしていると考えられてきましたが、具体的に何をしているのかは分かっていませんでした。約10年前に、私はこれらのスピロケータの一部をin vitroで培養することに成功し、それによってこれらのスピロケータを研究できるようになり、その生理学的特性や、環境中でスピロケータがどのような役割を果たしているかについて多くのことを学びました。それ以前は、これらのスピロケータが環境の中で何をしていたのかについて、全く分かっていませんでした。

このように、純粋培養を用いることで多くの発見がなされてきました。また、私たちはこの微生物コミュニティを研究するために、遺伝子ベースの手法も用いています。特定の生理機能を代表する特定の遺伝子型が存在する場合があり、コミュニティ内でこの遺伝子にどれだけのバリエーションがあるか、そしてこれらの重要な遺伝子をコードしている生物は誰であるかを明らかにすることができます。

このように、窒素代謝に関与する遺伝子の多様性と炭素代謝の主要な側面を研究することで、後腸で機能的に何が起こっているかを解明し始めることができます。また、遺伝子ベースのメカニズムやアプローチを用いて、シロアリ内に存在する生物の多様性を評価することも可能です。リボソームRNA遺伝子をマーカー遺伝子またはバーコードとして使用することで、このコミュニティに実際にいくつの種が存在し、おそらくどの程度の量で存在しているのか、そして我々の純粋培養がその多様性を実際にどのように反映しているのかを評価できます。したがって、私の研究室では多くの遺伝子ベースの手法を用いています。

私たちはまた、この微生物エコシステムの全ゲノム内容を研究し、このコミュニティでどのようなさまざまな代謝が行われているかという概念を得るために、メタゲノミクスにも取り組んできました。したがって、私の研究室では純粋培養を研究しています。PCRを用いた遺伝子ベースの手法やメタゲノミクスを用い、このヒンの腸内に存在する酵素活性などの活性を調べています。

また、顕微鏡観察を用いて、生物が腸内のどこに位置しているか、また他のどのような細胞と相互作用しているかを明らかにしようとしています。総合的に私たちが目的としているのは、後腸にいくつの種が存在し、それらがそれぞれ何をしており、どのように相互作用しているかを理解することです。微生物コミュニティの研究には、自然界の他のコミュニティとは異なる、多くの課題が存在します。

森の中やサバンナを歩き、道中で出会うさまざまな種類の植物や動物を観察することは、比較的簡単です。そして、群集生態学において、ある特定の群集にどれほどの種類の植物や動物が存在し、それらにどの程度の頻度で遭遇するかという問いに答えるため、過去100年間にわたり多くの手法やアプローチが開発されてきました。さらに、これらの生物を群集内で長期的に観察することで、それらが直面する環境動態や環境ストレスに対して、どのような適応を遂げているかを確認することができます。

サバンナでゾウやライオンを観察すれば、それらの適応行動や、どのようにエネルギーや食物を得ているか、また互いにどのように相互作用しているかを観察することができます。このように、目で見える生物を研究する場合、観察は極めて単純です。また、それが植物なのか動物なのかを区別することも非常に簡単です。

種としての分類ではなく、それらがどのような役割を果たすかという意味です。ある生物を見て、これはほぼ確実に光合成生物である、つまり太陽放射を吸収してそのエネルギーを有益な何かに変換する生物であると言うことができます。あるいは、ある動物を見て、この動物は主にタンパク質をエネルギー源として利用する動物であると言うことができます。

ハバナのコミュニティや森林のコミュニティを歩けば、多くの観察を行うことができます。しかし、微生物コミュニティを研究する場合、このような観察や結論を導き出すことははるかに困難です。微生物は非常に小さく、たとえ非常に高性能な顕微鏡を使用したとしても、個々の生物がどのように異なっているかを明確に判別できるとは限りません。

つまり、微生物コミュニティそのものを見た場合、そこに何種の種が存在し、それぞれの相対的な分布がどのようになっているかを判断することは非常に困難な場合があります。また、顕微鏡を用いてその微生物コミュニティを観察し、これらの生物がどのような役割を担っているのかという問いに答えることも、非常に困難である可能性があります。したがって、微生物コミュニティにおける大きな課題は、そこに誰が存在し、何をしているのかを突き止めることです。

したがって、微生物コミュニティの研究では、どのような生物が存在し、どれが活性化しており、それらの生物がどのような役割を果たし、環境の変化にどのように反応し適応しているかという情報を抽出するために、さまざまな手法を用いる必要があります。私が17年前の1990年頃にシロアリ腸内微生物コミュニティの研究に興味を持って以来、分野全体で多くの技術的進歩がありました。これにより、私や他の研究者が微生物コミュニティについて、そして私にとっては特にシロアリ腸内コミュニティについて、より多くの知見を得ることが可能になりました。これらの手法の大部分は、遺伝子ベースの技術です。

私がシロアリの研究を始めた当初は、顕微鏡を用いてシロアリのような微生物コミュニティを観察し、そのコミュニティに存在するさまざまな形態を評価することで、そこにどれほど多くの異なる種が存在するかを概算的に把握することができました。しかし、ここ15年から17年の間に、非常に多くの遺伝子ベースの手法やゲノミクス技術が利用可能になったため、シロアリの後腸のような微生物コミュニティから情報を抽出する能力は、急速に変化しました。現在では、遺伝子をほぼバーコードのようなマーカーとして利用し、異なる生物や環境を特定することが可能です。

シロアリの後腸のような微生物コミュニティにおいて、特定の遺伝子を多様性の指標として用いることで、そこにいくつの異なる種が存在するかを明らかにすることができます。また、その遺伝子をバーコードとして利用し、それらの生物を培養できているかを確認したり、コミュニティ内における各種の存在量の変動を追跡したりすることが可能です。さらに、他の遺伝子ベースの手法を用いることで、特定の酵素をコードする遺伝子がこのコミュニティ内に存在するかどうかを調べることができます。

また、それを触媒する生物の変異はどのくらいあるのか、つまり何種の生物が存在し、それらの生物を培養することは可能なのか、という点についてです。微生物コミュニティを研究するために、遺伝子解析やPCR（ポリメラーゼ連鎖反応）を用いたアプローチが数多く導入され、これにより微生物コミュニティへの理解が劇的に変化しました。そして、これらの変化はすべてここ20年の間に現れたものです。

シロアリとその腸内微生物の研究は、基礎研究や学術的研究のレベルだけでなく、バイオテクノロジーおよび応用研究のレベルからも非常に興味深いものです。シロアリは木材を摂食し、分解します。私にとって非常に重要なのは、自然界初の複合材料である木材に対し、シロアリとその腸内微生物が実際にどのようなメカニズムで攻撃を仕掛けるのかを理解しようとすることです。

これは3層ラミネート複合材であり、非常に強固な素材です。この昆虫とその腸内細菌が、どのようにこの複合材を脱アミノ化し、その後すべての構成成分を、昆虫と微生物の両方が燃料として利用可能な生成物に分解するのかを真に理解することは、非常に興味深いだけでなく、バイオテクノロジーや産業においても根本的な重要性を持っています。

社会として、私たちはまだ完全には理解していません。木材がどのように分解されるのかについて、実際にはほとんど分かっていないのが現状です。そのため、植物のリグノセルロース、例えば籾殻やトウモロコシの芯、あるいはサトウキビから糖分を搾り出した後の残渣などがどのように分解されるかについて、より深い理解を得たいという関心が現在高まっています。

低価値のリグノセルロース原料を、エタノールや水素、メタン、あるいはその他の高付加価値製品へと変換する方法への関心が高まっています。ここで重要な視点は、シロアリが常にリグノセルロースである木材を分解し、それを自らのバイオ燃料に変換しているという点です。産業面においても、木材への初期攻撃に関与する酵素が何であるかを解明することに強い関心が寄せられています。

そして、おそらくそれらの酵素を取り出し、他のダウンストリーム工程と組み合わせることで、現在の産業界で行われている方法や自然界で起きている現象とは異なる新しいプロセスを構築できるでしょう。それは、それぞれの最良の部分を真に統合して、木材を目的の製品へと変換する新しい手法を生み出すことです。その製品がエタノールであれ、水素であれ、メタンであれ、あるいは他の何であっても構いません。私の研究室では主に、この微生物コミュニティについての基礎的な理解を深めること、そして、微生物コミュニティと宿主との相互作用、およびリグノセルロース分解において宿主と微生物コミュニティが果たす役割を明らかにすることに関心を持っています。

しかし、そうした情報を一部活用し、新たな工業プロセスの開発につなげようとする試みには、かなりの関心が寄せられています。ここ2年ほど、バイオ燃料についての議論が多くなされており、バイオ燃料研究の必要性と、さらにはその将来性への注目が高まっていると考えています。ただ正直に申し上げて、助成策の規模が、寄せられている関心に見合っているとは思いません。

バイオ燃料におけるマンハッタン計画のようなものは存在しません。バイオ燃料の研究に関連する基礎研究に対して、劇的な大規模投資が行われたことはありません。そして、現時点ではリグノセルロース分解に関する我々の根本的な理解が非常に不十分であるため、もしバイオ燃料のイニシアチブを立ち上げるのであれば、それを実現するために、基礎的な学術研究から産業応用に至るまで、あらゆるレベルでの重点的な投資を含める必要があると考えています。

そして、もしこれを2年後、5年後、あるいは10年後に実現させたいのであれば、人々がその実現のために時間と努力を投資できるよう、資金を投じる必要もあります。過去20年間で、微生物コミュニティを研究するための遺伝子ベースの手法を用いる能力は、非常に急速に発展しました。今後5年から10年で何が起こりうるか、私たちは皆、少し想像を膨らませることができると思います。そして10年後には、あらゆる種の全ゲノムを把握し、シーケンシングし、解析する能力を備えている可能性が十分に高いと考えています。

シロアリの後腸には少なくとも250種が存在しており、それぞれの種のゲノム内容が判明している、いわば情報のリファレンス集のようなものが構築できる機会があると考えています。これは非常に劇的な発見となるはずです。なぜなら、わずか10年前、私たちは非常によく理解されていた微生物のゲノム配列をようやく初めて決定していたところだったからです。そして次の10年で、私たちは複雑な微生物コミュニティに入り込み、これまで詳細に研究されたことのない生物のゲノム情報にアクセスし、それらを活用してこれらの生物に関する研究を初めて推進できるようになると考えています。