自然と実験室での微生物群集 - インタビュー

私はマサチューセッツ工科大学の教授、エド・デロングです。私は実際、土木環境工学と生物工学の二つの分野で教授職に就いており、二つの異なる領域に足を踏み入れているため、珍しい組み合わせに見えるかもしれません。私たちの研究の一つの側面は環境、特に微生物に関わるものであり、微生物が環境にどのような影響を与え、また環境が微生物にどのような影響を与えるかを探究しています。これが、私たちのプログラムにおける土木環境工学、すなわち環境分野にあたる部分です。

もう一つの研究テーマは、バイオエンジニアリングに深く関わるものです。微生物がどのように機能し、どのような構造で構成されているのかを探求しています。

微生物、あるいは微生物コミュニティを構成するさまざまな部位は、どのようにして相乗的に機能しているのでしょうか。そのため、これら2つの分野の間の連携は非常にうまく機能しています。私自身の専門的な背景は、一般微生物学であり、そこに海洋学が少し混ざっています。

私は、カリフォルニア大学デービス校で細菌学の学士号を取得しました。その後、スクリップス海洋研究所で博士号を取得しました。信じられないかもしれませんが、私の博士号の専門は実は海洋生物学なのです。

そして、私は今MITにいます。どうしてそうなったのでしょうか？微生物学の分野は非常に急速に変化してきました。

そして、現在の微生物に関する理解に大きな影響を与えた要因の一つが、ゲノミクス分野における技術的な進歩です。通常、微生物を顕微鏡で観察しても、個別の同定は非常に困難です。形状やサイズに多少の違いは見られますが、それだけではその生物が何であるか、あるいはどのような活動をしているかについてはほとんど分かりません。

そのため、一般的に微生物学者は、研究室で微生物を観察することにほぼ限定されてきました。これは非常に強力な手法であり、ある意味で医学微生物学から発展したものです。つまり、化学物質を単離できるように、環境から微生物を単離することが可能なのです。

純粋な微生物、すなわち単一の微生物種を得ることができれば、その表現型や特性、環境内で機能することを可能にするさまざまな属性などについて学ぶことができます。しかし、微生物の世界全体を理解するという点では、そこには2つの問題があります。それは、研究室内の微生物が、自然環境中で示すであろう挙動と常に一致するとは限らないということです。

そして、さらに大きなもう一つの問題は、微生物種の大部分が非常に馴化させにくいということです。研究室にある微生物ライブラリーは、通常、自然界に存在するもののわずか0.1%程度しか代表していません。つまり、微生物の世界には、まだ研究室で培養することができず、理解が進んでいない広大な領域が存在しているのです。

それでも、これは自然界におけるバイオマスの大部分を占めています。それが重要である理由は数多くありますが、主な理由の一つは、微生物がいわば自然界におけるエネルギーと物質の変換を担うエンジンであるということです。

温室効果ガスやエコシステムを通過するエネルギーなどのフラックスは、扱うガスの量に照らせば膨大な規模に達します。年間でギガトン単位となるこれらのフラックスは、微生物種が分散して介在することで実際に制御されています。個々の微生物は非常に小さいですが、その個体数の多さと、地球全体に分散して存在する微生物世界の特性によって、大量の物質とエネルギーが移動しているのです。

そして、それが微生物を彼ら自身の領域、つまり自然界において理解することが不可欠である理由の一つです。ゲノミクスが台頭すると、微生物の全ゲノムをシーケンシングすることが、次第に容易かつ低コストになりました。もちろん、こうした動きは90年代半ば頃から始まりました。

そしてそれが可能になると、同じ手法を用いて、培養することなく自然環境に存在する微生物のゲノム特性を調べることができると人々は気づきました。これは、カール・ウーズ（Carl Woese）やノーム・ペース（Norm Pace）による初期の研究から派生したものです。1980年代半ば、ノーム・ペースは、微生物を培養せずとも同定できることに気づいたのです。

その方法は、任意の微生物生息地からバイオマスを分離し、そこからDDNAまたはRNAを抽出することでした。そして、それらの核酸から、例えばリボソームRNAのような分類学的に有用な分子をシーケンシングすることが可能です。これにより、さまざまなリボソームRNAのリストを得ることができます。

これらは特定の分類群におけるバーコードのようなものです。これにより、あらゆる特定の生息地にどのような種類の微生物が存在するかを特定できます。この手法の限界は、得られる情報がrRNA遺伝子のみである点にあります。

それによって微生物の正体はわかりますが、彼らが具体的に何をしているかまではわかりません。そこで、ゲノミクスを応用することで、さらに一歩踏み込んだ解析が可能になります。想定されるほぼあらゆる微生物生息環境から核酸を単離でき、さまざまな手法を用いることができます。本日は、その実験プロトコルの一つである、大きなゲノム断片の単離方法について解説します。

あるいは、そのDNAを断片化してショットガンシーケンシングを行うこともできます。これを考える上で最も簡単な方法は、そのコミュニティを構成していたすべての微生物のコンポーネントのパーツリストを入手することだと捉えることです。そして、それはこれまで得ることができなかったパーツリストなのです。

このようにパーツリストを用いることで、そこに存在する微生物の組成や、それらが持つ潜在的な機能について解析することができます。そして最終的に、生化学的な手法や生理学的な手法を用いて検証可能な仮説を構築し、環境に戻って遺伝子を時空間的に追跡することになります。

ゲノミクスと生態学的アプローチを融合させて発展したこの全領域は、現在、メタゲノミクスまたは環境ゲノミクスと呼ばれています。今日では、土壌や農業環境、海洋など、多種多様な生息地でこのようなアプローチが展開されています。この種の研究における最初期の最大規模な調査の一つは、クレイグ・ベンターによってサルガッソ海で行われました。また、同様に重要なのがヒトマイクロバイオームの研究です。

多くの人は気づいていないかもしれませんが、人体にはヒトの細胞よりも多くの微生物細胞が共生しています。微生物は約10¹⁴個あるのに対し、ヒトの細胞はわずか10¹³個です。ですので、私は時折、神は微生物に並々ならぬ愛情を注がれたに違いないと言っています。なぜなら、私たちよりも微生物の方が数的に多いからです。

しかし、これらの概念は非常に重要です。私たちのことを考えてみてください。私たちは決して一人ではありません。

私たちの体には常に微生物群集が共存しており、それらはおそらく多くの異なる機能を担っています。現在では、肥満などの一部の疾患において、微生物成分が人間の表現型や、食物からどれだけのエネルギーを抽出できるかという点に大きな影響を及ぼしている可能性があるという証拠が得られています。つまり、私たちは単に自分たちだけで構成されているのではなく、共に運んでいる共生系によって構成された生きたシステムであると言えます。

ゲノミクスを用いたこれらの新しいアプローチによって可能になったことは、これまで見てくることができなかった生物界の領域を解析し始めることです。そこにこそ、これらの手法の真価があります。現在この分野で起きていることは、単にパーツリストを収集することではなく、そこに真のダイナミクスが存在するという概念に到達することなのです。

ゲノム解析が始まった当初は、もちろん単一のゲノム配列、つまり単一の個体として、例えば微生物の精製された菌株にはゲノムが存在し、そのゲノムを構成する200万塩基対などを決定することができました。そして、それは非常に固定された静的な存在であるように見えました。しかし、実際に自然界を観察すると、微生物の単一の菌株というものは実際にはほとんど存在しないことがわかります。

これらの天然の微生物集団を詳しく調べると、ある種の構成の核となるゲノム上のテーマのようなものが存在することが分かります。しかし、どのような集団においても、そのテーマに基づいた非常に多くの変異体、つまり多種多様な株が存在しています。そして現在明らかになりつつあるのは、ゲノムとは決して静的な実体ではなく、絶えず変化し続けているということです。

それらは動的です。実際、個体群においてそのような現象が起こります。したがって、栄養分や温度、塩分濃度などに関連する環境のわずかな変動がある場合、個体群内の変異体の一定割合が、その環境変化に対してより適切に適応できることが想像できるでしょう。

また、絶え間ない変動があり、それら自体もまた変化し続けています。したがって、中立的ドリフトによって変異が絶えず供給され、そこに選択が作用します。これにより、ゲノムとはどのようなものであるかについて、よりダイナミックで異なる視点を得ることができます。

それは、ゲノムの静止画を見るというよりも、むしろ映画を見ているようなものです。最近の研究における強力な点の一つは、ゲノムがどのように進化し、それが生物の表現型や環境への応答、さらには環境への影響にどのような意味を持つのかという「映画」を構成するためのストップモーション（静止画）が得られ始めていることです。そのため、これは非常に刺激的なことです。なぜなら、微生物学における集団遺伝学にとってこれは新しい領域だからです。微生物学において集団遺伝学は十分に発展していると思われるかもしれませんが、実際にはそうではありません。なぜなら、天然の微生物集団の遺伝学を非常に詳細な方法で研究する手段が、これまで本当になかったからです。

そして、この種の研究におけるもう一つの要素は、集団遺伝学や集団ゲノミクスを深く掘り下げ、あたかも映画を観るようにその過程を追えるようになったことです。これは非常に強力な手法であり、微生物がいかにして機能を獲得し、機能や特性が集団全体にどのように広がるかという私たちの理解に、多くの実用的な示唆を与えています。また、私たちにとって驚くべき点の一つは、生物学において表現型特性や機能的特性が微生物間でどのように移動するかという概念が、少し変わることです。もちろん、有性生殖を行う生物の生物学では、通常、形質は親から子へと受け継がれると考えられています。

このように、生物学的特性は遺伝的な継承を通じて伝播します。しかし、微生物の世界では異なるダイナミクスが存在しており、メタゲノム解析などの調査によってそれが明らかになり始めています。これは「水平伝播」と呼ばれる現象であり、非常に異なる生物間であっても、DNAの転移プロセスによって遺伝子やオペロン全体が受け渡されます。もしそのDNAが受容側の生物で発現し、正の選択的価値を持つのであれば、多くの異なる生物の間で伝播し始める可能性があります。私たちは最近、研究室で検討している手法を用いて、微生物集団から非常に大きなゲノム断片を単離することで、この仕組みを確認することができました。

そして、私たちはそれを異なる時間的・空間的視点から行います。今回のケースで私たちが実現できたのは、エネルギー勾配、つまり海洋に浸透する光の勾配に沿って、ゲノムの大部分を単離することでした。私たちが調査している外洋の海域において、それは非常に明確に定義された勾配となっています。

有光層は実際にはかなり深くまで達しており、海面下200メートルまで広がっています。しかし、当然ながらエネルギーの質と量は変化します。

光は減衰するにつれて、深くなるほどより青くなり、深海に生息する生物が利用できる波長の範囲は狭くなります。また、光のエネルギーも減少します。したがって、光を利用する生物が、エネルギー勾配や光の質および量の変化という関数に沿って、どのように適応し変化するのかを考察することができます。

興味深いのは、これらの光勾配に沿って、特定の遺伝子やそれに関連する微生物の種類を追跡できることです。かいつまんで説明すると、ロドプシンと呼ばれる光エネルギー収穫に関与する特定の遺伝子の中には、発現が非常に容易で、フォトシステムを構築するために必要な遺伝子数が非常に少ないものがあり、そのためあらゆる種類の微生物の間で水平伝播していることが分かりました。

そう言える理由は、細菌や古細菌のように、極めて大きく異なる既知のグループからゲノム断片を単離した結果、ほぼ同一の特性を持つ同じフォトシステムが見出されたためです。したがって、環境中でこれらの機能遺伝子の断片が生物間を移動する様子を追跡することが可能です。

単に生物上の遺伝子をマッピングするだけでなく、それらの遺伝子を環境勾配に沿ってマッピングすることも重要です。これらの光合成系を含む巨大なゲノム断片を観察して分かったもう一つのことは、水深約0mから130mまでの有光層において、これらの遺伝子が非常に豊富に存在しているということです。しかし、有光層の底部およびその直下に到達すると、それらの遺伝子は消失します。

同じ生物がより深い場所に生息しているにもかかわらず、それらは消失しています。このことが示しているのは、選択圧がない状態、つまりこれらの遺伝子を機能させる光がない状態では、水深に応じてあらゆる種類の生物においてそれらが失われるということです。これがなぜ興味深いかというと、まず第一に、光を利用する特定のエネルギー生成機構について、それが環境のどこに存在し、生物間にどのように分布し、どのようなダイナミクスで移動しているかを教えてくれるからです。

しかし、これはまた一般的にも興味深いことであり、単に生物における遺伝子やゲノムのマッピングだけでなく、それらの生物が時間的・空間的にどこに存在し、それらの遺伝子が時間的・空間的にどこに存在し、そしてそれらがどこで交差するかを考えるための新しい手法でもあります。私たちはまだ、その方法を学び始めたばかりです。これは、ある一つの遺伝子セットのみを用いた例でした。

しかし、このような頻繁に移動する傾向にあるコスモポリタン遺伝子には、一体いくつのカテゴリーが存在するのかという一般的な疑問を抱くかもしれません。ある特定の生息地において、その答えが何であるか、それがどの程度一般的であるか、そしてそれらの遺伝子を移動させるメカニズムは何であるかは分かっていません。環境中の遊離DNAによるものなのでしょうか。あるいは、ウイルスが生物から生物へと遺伝子を伝播させているのでしょうか。

これらはすべて大部分が未知の領域ですが、天然に存在する生物に遺伝子をマッピングし、それらの生物を環境にマッピングしてその変動性を理解するという、このような手法を用いることで、現在はアプローチが可能になっています。したがって、微生物学にとって正に新しい時代が到来しており、環境におけるゲノムダイナミクスの「動画」を観察する新たな手段を手に入れたことになります。これにより、自然界で微生物の世界が実際にどのように機能しているかをより深く理解するための、新たな立ち位置に立つことができました。もちろん、課題の一つは、環境科学にとっても、そして生物医学にとっても同様だと言えますが、あらゆる適切な種類のデータをいかに取得するかということです。

そして、ここでのケースではメタデータについて述べており、もちろんメタデータとは「データに関するデータ」のことです。海洋で挙げた例を考えると、知りたいことが数多くあります。分光放射輝度がいくらであるか、光子束はどうなっているか、どのような波長の光が透過しているか、そしてその水の温度、塩分濃度、圧力などが分かります。なぜなら、これらの変数のそれぞれが、生物の進化に重要な影響を及ぼすからです。

したがって、ゲノムや生物に関するデータを得るだけでなく、他の時期、他の場所、あるいは他の研究者のデータと比較可能な、環境に関するかなり詳細なデータを得る必要があります。環境科学者は長い間このようなデータセットを扱ってきましたが、バイオインフォマティクス、ゲノミクス、および環境科学の融合は比較的新しいものです。そして、現在存在するデータベースは、必ずしもこのようなデータを収容できる準備が整っているわけではありません。

そのため、現在ある種の進化が起きていると言えます。環境分野だけでなく、私は海洋学者であり海洋生物学者ですので、海洋学の視点からも、ゲノミクスやバイオインフォマティクスに取り組んでいる方々と相互に意見交換を行おうとしています。一例を挙げますと、私はNSF（全米科学財団）の科学技術センターである、Center for Microbial Oceanography Research and Education（海洋微生物研究教育センター）、通称Seymourに参画しています。

そしてSeymourでは、ゲノムからバイオームに至るまでのこのダイナミクス全体、すなわちゲノム、トランスクリプトーム、プロテオーム、細胞、個体群、コミュニティ、そしてエコシステムという、生物学的複雑性のあらゆるレベルにわたる連続性を捉えることに非常に強い関心を持っています。これは非常に多岐にわたる情報であり、かなり意欲的な試みです。

したがって、このNSFサイエンス＆テクノロジーセンターであるSeymourプロジェクトはハワイに拠点を置いており、海洋学者、微生物学者、分子生物学者のグループが協力して、このような方法で特定のシステムをどのように特性評価するかを解明しようとしています。今回のケースでは、そのシステムは主に中太平洋の表層海洋を指します。これを実施する重要な理由は、地球の3分の2を覆う広大な生物学的構成要素を捉えることができるためです。また、Seymourは、Moore財団の資金提供を受けたCameraと呼ばれる別のプロジェクトとも共同研究を行っています。

And Cameraは、環境中で収集された膨大なゲノムデータを取得し、それを共時的な、あるいは環境データと共に提示するための場として、Larry Smar氏とCraig Venter氏によって主導されています。つまり、ゲノムデータが収集されたのと同時に収集された環境データのことです。これは、まさに全く新しい取り組みです。

これはまだ始まったばかりであり、今後のさらなる連携や、データ標準およびメタデータ標準に関する議論が必要となるでしょう。また、そのような情報を格納できるデータベースをどのように構築すべきかという課題もあります。現在は主に海洋に焦点が当てられているため、方向性は明確になっています。

しかし、ヒトマイクロバイオームを研究している人々にとっても、臨床データや個人のデータなどとともに、同様のデータセットが必要になることは想像に難くないでしょう。それは全く異なる一連の問題ではありますが、多くの点で、自然界の微生物集団からゲノムデータを取得し、それらがどこに生息し、どのような条件であったかという、関連するすべての適切なメタデータとともに収集するという同じ種類の問題です。もちろん、特定の遺伝子型やカテゴリーについて、非常に興味深い問いを投げかけることができる大規模なリレーショナルデータベースが存在することが期待されています。

例えば、通常は病原性と関連付けられるpill Iのような特定の遺伝子について、臨床的または病原性のある環境に常に伴う特定のpill Iが存在するのか、あるいはそれらのpill Iはより広く分布しており、病原体の形成などの特定の状況に適応しただけなのか、といったことを考えることができます。微生物の世界がどのように進化し、どのような特定の適応が、ある環境関係やライフスタイルにつながるのかを理解するという点で、これらのデータセット間では多くのクロストーク（相互作用）が起こり得ます。私は自由生活しているのだろうか、という点などです。

私は付着しているのか、あるいは病原体なのか。これらの事象はすべて相互に関連しています。したがって、これらの関係データベースは規模が拡大するにつれ、実用的な応用と理論の発展の両方において非常に重要になるでしょう。

そして、彼らはまだそこには到達していません。今後5年から10年ほど、長い道のりが待ち受けているでしょう。もちろん、ヒトゲノム、ヒト医学、および遺伝学の文脈において、多くの発展があると考えています。

1,000ドルのゲノム解読は究極の目標とされてきました。少なくとも再シーケンシングに関しては、技術は非常に急速に発展しています。そのため、大きな影響の一つとして、ゲノム情報を取得するためのハードルが下がることが考えられます。ここで言うのは、単に経済的な側面のことを指しています。

コストは大幅に抑えられ、速度も格段に向上するでしょう。そして、そう遠くない将来には、望めば自分自身のゲノムをシーケンシングできる腕時計サイズのデバイスが登場するはずです。それは十分にあり得る可能性です。

そうなれば、状況は少し変わります。現状では、多くのゲノムシーケンシングは、多くの人員を擁する非常に大規模な専門センターで行われています。ゲノムシーケンシングに今後起こること、そして現に起こりつつあることは、それがより分散化されるということです。

興味深いのは、データの生成源がますます分散化するにつれて、データ収集、データ標準、およびデータ普及に新たな課題が生じることです。これは非常に興味深い課題であり、改めてデータベース全体の問題に関連しています。

さらに、現在起こり始めており、今後さらに加速すると考えられることがあります。通常、ゲノムデータの取得は、データベースに登録して完了し、そこから次のステップへ進むという取り組みであると考えられがちです。しかし、DNAシーケンシングは、実際には実験科学において非常に強力な応用可能性を秘めています。新技術の登場に伴い、人々は単にデータを収集して登録するだけでなく、より実験的なアプローチでゲノムデータを収集するようになるだろうと考えています。

また、環境中の個体群を追跡し、遺伝子発現を観察したり、遺伝子発現パターンをプロテオミクスパターンに重ね合わせたりすることも想像できるでしょう。これらすべてが実現していくはずです。したがって、私たちはゲノム解析を、データベースを構築するための手段というよりも、むしろ実験的なツールとして考えるようになるでしょう。

したがって、こうした取り組みがすべて計画されており、その中心となるのは、膨大な量となるこれらのデータを扱うためのハードウェアおよびソフトウェアの両面における計算インフラ、すなわちデータキャプチャになるでしょう。さらにそれに加えて、理論の開発が重要になります。特に生態学に適用される生物学的理論を考えると、その多くは大型の生物、特に有性生殖を行う大型生物に基づいています。実際、既存のルールのいくつかや理論の一部は、微生物の世界には必ずしも当てはまりません。そのため、数学者や理論家にとって、現在および将来的に収集されるこれらのデータを、いわばデータモデルとして利用し、新しい理論や予測理論を構築することには、将来的に大きな可能性があります。

そして、最終的な目標は、私たちの惑星がどのように機能しているかを理解することに行き着きます。その理由の一部は、私たちが呼吸する空気や、地球上の元素サイクルを実際にバランスさせている物質とエネルギーのフラックスが、主に微生物種の集団的な活動によって制御されているためです。私たち人間という種自身が、現在、大気中のCO2を例に挙げれば、いくつかのエネルギーおよび物質のサイクルに多大な負荷をかけているため、私たちがそれを損ない、地球上の物質とエネルギーのサイクルともう少し調和して生きる方法を考え始めるにあたっては、自然なバランスがどのようにして起こるのか、そのダイナミクスと詳細を理解することがますます重要になります。したがって、還元主義的な科学に見えるこうした基礎的な研究の一部は、メタゲノミクスや私が述べた他の手法、そして理論を通じて、単に細胞レベルではなく、惑星レベルでの複雑なシステムを理解するという、よりホリスティック（包括的）な科学へと進化していくと信じています。

したがって、現在ラボでお見せしたいくつかの手法や、この分野の現状を踏まえると、私たちはまだ最初の一歩を踏み出したばかりに過ぎません。しかし、これが今後どのような方向に向かうのか、その断片的な兆しは見え始めていると思います。これを実現させる方法を見出せれば、非常にエキサイティングなことになるでしょう。なぜなら、それには技術者、理論家、数学者、エンジニアなど、多岐にわたる専門家のスキルを結集させる必要があるからです。

非常に興味深い時期であり、ここからさらに面白くなることは間違いありません。