微生物がコミュニケーションに使う「魔法の武器」は実は藍藻の大発生の共犯者？

制作：中国科学普及協会

著者: 花茶（青島農業大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

広大な自然界には、微生物が星のようにあらゆるところに点在しています。体は小さいですが、驚くべき知恵と強い適応力を持っています。彼らは、微生物自身だけが「聞く」ことができる「クオラムセンシング」（QS）というコミュニケーション方法を進化させました。科学者たちはこのメカニズムについて徹底的な研究を行い、微生物の偉大な知恵を明らかにし、これにより2016年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。さて、微生物間のこの静かな「対話」に踏み込み、クオラムセンシングの謎を探ってみましょう。

微生物のクオラムセンシングは微生物間の挨拶コミュニケーションのようなもの

（写真提供：veerフォトギャラリー）

沈黙の「対話」

忙しい都市では、人々は携帯電話、ラジオ、または対面でのコミュニケーションを通じてコミュニケーションを取り、行動を調整します。しかし、微視的な世界では、細菌は孤独に生きる生き物ではなく、クオラムセンシングという独自の「コミュニケーション方法」を持っています。

クオラムセンシングとは、微生物が周囲の環境にある類似の微生物の数を感知して行動を調整するコミュニケーションメカニズムです。微生物の密度が一定の閾値に達すると、遺伝子発現に一連の変化が生じます。この細胞密度に基づくコミュニケーションメカニズムにより、細菌は仲間の存在を感知し、行動を調整して、成長、代謝、毒性などの要因に影響を与えることができます。

細菌が大きなパーティーを開いていて、パーティーは一定数の人が集まったときにのみ始まると想像してください。これは微生物間の静かな「対話」のようなものです。音はないが、知恵と戦略に満ちている。この種のコミュニケーションは、彼らが環境に適応し、生存能力を向上させるために非常に重要であり、多くのシナリオや状況において大きな意義を持ちます。

クオラムセンシングは、過酷な環境における微生物の重要な生存戦略であるバイオフィルムの形成を助けます。バイオフィルムは微生物の「鎧」とも言えます。多数の細菌と細胞外産物から構成され、集団状態の三次元構造を形成します。クオラムセンシングを通じて、微生物は互いに協力してこの複雑な構造を構築し、環境や抗生物質に対する耐性を高めることができます。

微生物バイオフィルムの形成

（写真提供：veerフォトギャラリー）

クオラムセンシングは、病原微生物による毒性因子の産生を制御することもできます。病原性微生物にとって、毒性因子は宿主に感染し病気を引き起こす重要な武器です。クオラムセンシングは、これらの微生物の「武器庫管理者」のようなものであり、これらの毒性因子の生成を制御する役割を担っています。微生物の密度が増加すると、クオラムセンシングにより微生物は毒素、酵素、その他の有害な化合物をさらに生成し、感染を悪化させます。これは、戦場で人員と火力を増強して、微生物にとってより有利な状況を作るのと似ています。

水平遺伝子伝達は、微生物が環境の変化に素早く適応するための重要な手段の 1 つです。細菌群集内では、クオラムセンシングを通じて微生物はより効率的に遺伝子を交換および組み換えることができ、それによって新しい遺伝的特徴を獲得します。これはまるで「遺伝子カーニバルパーティー」に参加して、お互いから学び、自分自身を強化し合うのと同じです。

クオラムセンシングは微生物群集の安定性を維持するのにも役立ち、微生物界における「国勢調査員」のような役割を果たします。個体数の変化を監視し、信号を送信して微生物の数を調整し、すべてが制御されていることを確認します。

微生物にとっては良いニュースだが、人間にとっては悪いニュース

クオラムセンシングは微生物にとって重要な生存戦略ですが、私たち人間にとっても多くの問題をもたらします。

最も難しい問題は薬剤耐性です。抗生物質の広範な使用により、薬剤耐性を発達させた病原性微生物がますます増えており、クオラムセンシングによってこの現象が悪化し、一連の遺伝子発現の変化を通じて微生物が薬剤耐性を高めることが可能になる可能性がある。これは微生物と人間との間の「軍拡競争」であり、終わりがない。

さらに、クオラムセンシングにより病原体の毒性因子の産生が増加し、感染が悪化する可能性があります。例えば、最も一般的な病原菌の一つである緑膿菌は、高密度環境下ではより多くの毒素を産生し、あたかも微生物が戦場で突然「秘密兵器」を手に入れたかのようになり、戦いはより激しく残酷になり、最終的にはより深刻な肺感染症を引き起こします。

生態学的観点から見ると、クオラムセンシングは水や土壌中の微生物の異常増殖を引き起こし、環境汚染問題を引き起こす可能性もあります。たとえば、藻類の大量発生は、クオラムセンシングによる藻類の過剰な増殖によって引き起こされます。これは水質や生態系のバランスに影響を与えるだけでなく、人間の健康にも潜在的な脅威をもたらします。

他人に自分がして欲しいように接する

科学者たちは、人間の健康と環境の安全を守るために、クオラムセンシングを制御する方法を積極的に研究しています。彼らは、感染症を阻止するための戦略を活用して、クオラムセンシングシステムの制御に取り組んでいます。

シグナル分子はクオラムセンシングの重要な媒介物であるため、シグナル分子の生成を阻害することでクオラムセンシングを防ぐことができます。科学者は、シグナル分子の発現を分子レベルで阻害するために、特定の酵素や化学薬品をスクリーニングまたは合成します。

さらに、シグナル伝達を妨害することで微生物のコミュニケーションをブロックすることもできます。微生物間の通信を妨害し、微生物が効果的な攻撃部隊を形成することを困難にする「信号妨害装置」が見つかったらどうなるか想像してみてください。科学者たちは、抗体や小分子化合物を使ってシグナル受容体の受容機能を阻​​害しようと試みているが、これは微生物の通信回線に「障害物」を設置して情報伝達を困難にすることに相当する。

科学者が候補薬を探すとき、彼らはクオラムセンシングを阻害する能力を持つ自然界の天然物を利用します。アリシンや茶ポリフェノールなどのこれらの物質は、クオラムセンシング関連酵素の活性を阻害する可能性があります。さらに、遺伝子編集技術の発達により、クオラムセンシングに関わる遺伝子をノックアウトしたり変異させたりすることで、微生物のクオラムセンシング能力を低下させることが可能になりました。この方法は研究室ではある程度の成功を収めており、将来的には遺伝子編集技術を利用して有益かつ安全な新しいタイプの微生物を作り出すことが期待されています。

天然抗菌活性成分

（写真提供：veerフォトギャラリー）

合理的な利用と調和のとれた共存

クオラムセンシングは微生物間の重要なコミュニケーションメカニズムとして、微生物の増殖、代謝、毒性に大きな影響を与えます。しかし、薬剤耐性、病原性の増加、環境汚染などの問題を引き起こす可能性もあります。したがって、効果的な制御戦略を研究し開発することは、人々の健康と環境の安全を守るために非常に重要です。

科学界がクオラムセンシングについてより深く理解するにつれて、クオラムセンシングシステムは病原微生物の新たな予防および制御の対象になりました。特に、細菌を単に殺すだけではスーパー細菌の出現につながる可能性があることは誰もが認識しており、本当に解決する必要があるのは細菌の病原性です。そのため、クオラムセンシング機構を標的とした新しい阻害剤の開発が研究開発の焦点になりつつあります。これらの阻害剤は、シグナル分子またはシグナル伝達経路に直接作用して、クオラムセンシングの発生を阻害します。

従来の抗生物質とは異なり、新しい抗菌剤は微生物を直接殺す効果はありません。代わりに、微生物間のコミュニケーション機構を妨害することで病原性を弱めます。これは「心理戦」の戦術に似ており、敵の戦意を知らないうちに失わせ、敵からの激しい抵抗を引き起こさず、人間と微生物の調和のとれた共存を実現します。