マイクロ流体を用いた細菌走化性の研究 - インタビュー

私の名前はRoman Stockerです。MITの土木環境工学科にあるRalph Parsons Laboratoryの助教2年目です。出身はイタリアで、流体力学を専攻していました。

そのため、私の背景は物理科学にありますが、ここ2、3年で、より環境および生物学的なトピックへと移行しました。2年前から、微生物生態学における課題を検討するためにマイクロ流体デバイスの開発を始めており、これらのマイクロデバイスを用いることで、ミクロンスケールの事象に対する典型的な生態学的疑問を追求することができています。私たちの研究は主に、海洋中を泳ぎ回り、餌の供給源を追跡できる生物を対象としています。

特に、細菌は非常に巧妙な泳ぎ方を身につけており、ここで簡単なデモンストレーションを行います。細菌の頭部はほぼ楕円体です。これが約2 µmの大きさであると想像してください。

細菌の後端には、1本または複数の鞭毛が存在します。これらの鞭毛はらせん構造をしており、細菌はこれを回転させることができます。この回転によって推進力が生まれ、細菌は実際に前方に泳ぐことが可能になります。

細菌が実際にそれを行う方法にはさまざまなモードがあり、遊泳戦略も多様ですが、それこそが私たちの研究の関心事の一部です。細菌が海洋で遊泳する理由は、栄養源をより効率的に利用するためであり、これは過去15年から20年の間に起こったパラダイムシフトの一環です。それ以前は、数メートルから数十メートルのスケールにおいて、海洋は均質な栄養素のスープであると考えられていました。そのような海洋像においては、細菌のような微小生物は実質的な役割を果たさないと教えられており、単に海流によって受動的に運ばれているに過ぎないと考えられていたのです。

しかし、10年または15年前に、海洋で実際に起きていることはそれとは異なり、実のところ、これらの微小生物こそが海洋の健康状態、ひいては地球規模の気候などを決定づける最も重要な役割を担っていることが認識されました。これには2つの理由があります。1つ目の理由は、彼らが海洋のあらゆる場所に存在し、その累積バイオマスが他のすべての海洋生物をはるかに上回っていることです。

2つ目の理由は、おそらく最も根本的なものですが、これらの微小生物が栄養源、特に炭素を利用することで、食物網の他の構成要素のために栄養分をリサイクルし、それによって海洋における栄養段階の連鎖の他の側面や部位を大幅に強化できるためです。こうした中で、私たちの研究は主に、遊泳生物と栄養パッチの間の相互作用に焦点を当てています。細菌は遊泳できるだけでなく、栄養勾配を感知し検出することも可能です。

つまり、彼らは生活環境が改善していることを察知し、栄養素の濃度勾配に従って泳ぎ上がることができるということです。これは走化性（ chemotaxis）として知られるプロセスによって行われます。走化性とは、化学物質の濃度勾配を感知し、その方向へ向かって泳ぐ能力のことです。

これは実際に私たちが研究室で研究している内容であり、マイクロフルイディクスは、細菌の走化性と遊泳能を調べるためのツールとして活用しています。これにより、細菌の役割を外挿およびスケールアップし、海洋の健康状態を決定する上でそれらがどれほど重要であるかを判断することができます。この1年半の間、私たちは細菌を海洋で一般的に見られるさまざまな条件下にさらすことができるマイクロデバイスを構築しました。先ほど述べたような一般的な栄養パッチだけでなく、例えば乱流などの条件も含まれます。

これまでに分かったことは、海洋細菌はこれらの栄養パッチを利用することに非常に効率的に適応しており、海洋における多種多様な乱流条件に対抗して泳ぐ能力を備えているということです。これにより、細菌にとって通常は栄養の砂漠であり、3次元の水柱の中に散在する非常に稀なパッチとしてのみ栄養が存在する海洋において、実際に生存するのに非常に適した能力を持っていると考えられます。同時に、周囲の水が激しく動いているときでも、乱流に抗って泳ぎ、栄養源である食物を追跡し続けることができるのです。アースシステム・イニシアチブ（Earth system initiative）は非常に興味深い取り組みであり、私たちの惑星が実際にどのように機能しているかをより良く理解することに関心を持つ、さまざまな分野の専門家が集まっています。端的に言えば、アースシステム・イニシアチブの目的は、私たちがすでに、そして長きにわたって行ってきたことと同じことを、地球という惑星全体に対して試みることなのです。

自身の健康状態を把握しようとする人間にとって、昨今では地球温暖化や温室効果ガスへの懸念があるため、地球の健康状態を理解することが特に重要となっており、アースシステムイニシアチブにおける多くの取り組みは、地球の健康状態をより深く理解することに向けられています。私たちの研究は、海洋における炭素循環の一つの構成要素に着目することで、この取り組みに寄与しています。具体的には、先ほど述べたように、遊泳性の細菌などの微小生物が、いかにしてこれらの広域的な循環に影響を与え得るかを解明しようとしています。これは海洋における地球規模の炭素循環に影響を及ぼし、ひいては大気を含む世界全体の地球規模の炭素循環に波及するものです。

この分野におけるこれまでの私たちの研究はすべて、ある重要な技術的進歩によって可能となり、実際に促進されました。それがマイクロフルイディクス（微細流体技術）です。過去10年間で、特にボストン・ケンブリッジ地域において、マイクロフルイディクスは非常に興味深く有用なツールへと発展しました。現在の形式におけるマイクロフルイディクス技術の創始者はハーバード大学のGeorge Whitesides教授であり、同教授はソフトリソグラフィーのプロセスと、マイクロデバイス作製へのPDMSの利用を導入しました。

それ以来、マイクロフルイディクスの応用は幅広い分野で飛躍的に拡大しました。化学工学から健康科学に至るまで、私たちはこれを微生物生態学に応用し、海洋における微生物の遊泳に関する小規模な問題のいくつかに取り組むようになりました。端的に言えば、これらのプロセスを海洋で直接研究することは、そのスケールの小ささと海洋が必然的に持つ変動性のために、困難か、あるいは不可能に近い状況です。私たちは、サイズが約1 micronである細菌を海洋のin situで直接可視化することはまだできていません。同時に、これらのプロセスを例えば数値的または理論的にモデル化しようとする試みもありますが、これは生物学であるため、必然的に仮定に頼らざるを得ません。

例えば、細菌の遊泳戦略や走化性戦略について仮定を立てる必要がありますが、そのためにはこの分野を前進させるための実際の実験が不可欠です。マイクロフルイディクスを用いることで、海洋の微小な領域や一部を研究室に取り込み、同時に栄養分と流れの両面において現実的な環境条件に細菌や微生物をさらすことが可能になります。同時に、ビデオ顕微鏡法とセルトラッキングを用いることで、個々の細菌の挙動を非常に厳密に制御された方法で研究でき、約10年前には不可能だった方法でこれらの課題を解決することが可能となりました。これらすべては、特にマイクロフルイディクスという技術的進歩によるものです。

この分野において、今後私たちが直面すると考える主な課題は2つあります。1つ目は、先ほど述べたように、いずれこれらの問いを実際の海洋に持ち込めるようにすることです。最終的に海洋へ赴く必要がある理由は、これらのプロセスに固有のあらゆる変動性を捉えるためです。

例えば、沈降粒子から実際に何が漏出しているのか、どのような栄養塩が存在するのか、あるいは研究室において細菌がどのような化学物質に化学走性を呈するのかについて、私たちはまだ何も分かっていません。私たちはこれらの条件の中で最も単純なものしか研究できていませんが、海洋で実際に起きていることは、複雑で非常に変動的なプロセスの集合体であり、最終的にはそれを海中で直接的に調査する必要があります。これは、サンプリング、イメージング、そして数回述べたように数 µm というスケールや pL という体積での化学的・生物学的分析を行うという観点から、大きな挑戦となります。

私がより取り組みやすいと考えている2番目の課題は、行動の3次元的な可視化です。現在、研究室で行っていることはすべて2次元的です。微生物の軌跡や蓄積を可視化するために従来の顕微鏡法を用いていますが、デジタルホログラフィーとして知られる技術に大きな期待を寄せています。これにより、おそらく3年から5年という期間で、これらの事象を3次元的に、つまりより正確かつ現実的に追跡できるようになり、今後5年以内に生態系を現実的に捉えることが可能になると考えています。

サンプリングを3次元化し、さらには海洋サンプリングへの第一歩を模索することに加え、これらの研究を、これらの生物のゲノミクスを理解しようとする現在進行中の取り組みと結びつけたいと考えています。特に、地球システム・イニシアチブの一環として、フィールドに存在するこれらの細菌の遺伝的構成や遺伝的な多様性を理解しようとする強力な推進力があります。同時に、ゲノミクスには得られた知見を生物の行動と直接的に結びつける能力が欠けており、そここそが、マイクロフルイディクスや、より行動的な古典的生態学研究がもたらすことができるものであると期待しています。

私たちは海洋細菌のゲノミクスを研究する優れた設備と素晴らしいチームを有しており、彼らと協力することで、これら2つの根本的な問いを結びつけ、海洋にどのような細菌が存在し、海洋の健康および地球全体の健康を決定づける上でそれらがどのような役割を果たしているのかをより深く理解できると考えています。