細菌は共謀し、ウイルスは盗聴する：微生物のクオラムセンシング

1か月前、2022年のウルフ化学賞が細胞コミュニケーション研究分野の研究者であるボニー・バスラー氏に授与されたことをお伝えしました。バスラー教授は、微生物が互いにコミュニケーションするために使用する独特の言語システムを研究しています。このシステムはどのようにして発見され、解読されたのでしょうか?臨床医学への応用において、それはどのような実際的な意義があるのでしょうか?今日の記事では、この基礎研究がいかに魅力的であるかを紹介しています。

著者：Hong Wei（科学技術史博士）

有名なフランスの社会心理学者ル・ボンは著書『群衆』の中でこう述べています。

ある人種のすべての個人が受け継いだ共通の特徴の総和が、その人種の魂を構成します。しかし、一定数の個人が特定の行動を実行するためにグループに集まると、観察によれば、集まることによって、人種的特徴と重なり合ったり、時には人種的特徴とは大きく異なる新しい心理的特徴が出現することが分かっています。

人間の集団行動の出現は、社会学者が常に関心を寄せてきたテーマです。しかし、集団行動は人間や高等動物に特有のものではありません。

近年、微生物学者は細菌にも独自の集団行動があることを発見しました。細菌は、独自の化学言語システムを通じて、互いにコミュニケーションを取り、互いを感知し、集団で投票して意思決定を行うことができます。具体的には、細菌の生理学的・生化学的特性は集団の密度に応じて変化し、環境の変化に対応するために、少数の細菌や単独の細菌では持たない特性や集団行動を示します。この現象は、微生物学者が「クオラムセンシング」と呼ぶものです。

細菌は肉眼では見えないほど小さく、音も出ません。現代のテクノロジーの助けがなければ、彼らの個々の行動を直接観察することはできず、ましてや彼らのコミュニケーションプロセスを監視したり、彼らの集団行動を分析することはできません。人間にとって、彼らの行動はすべて発覚するまでは陰謀のように見え、科学実験は研究者による一連の探求である。次に、クオラムセンシングの発見と微生物の言語システムを解明するプロセスについて簡単に説明します。

1つ

発光細菌が秘密を明かす

1913年、幼いころからハイキングや生物標本の収集が好きだったプリンストン大学の若い教師、E・ニュートン・ハーベイと水生生物学者のアルフレッド・G・メイヤーは、一緒に南太平洋を旅し、オーストラリアのマレー島に3か月間滞在しました。ハーヴェイが生物発光現象に魅了されたのはこの3か月間でした。

3年後、ハーヴェイと水生生物学の研究をしていた新妻は新婚旅行で日本へ行きました。日本の西海岸で、彼は海上の青い光の幻影に魅了されました。彼をさらに魅了したのは、ホタル（Vargula hilgendorfii）が海洋無脊椎動物であり、完璧な研究材料だったということだった。長年乾燥して保管した後でも、水で湿らせるだけで発光システムを復活させることができます。ハーヴェイが米国に持ち帰った乾燥したホタルの正確な数は誰にも分からないが、彼はその後40年間、その材料を研究に使い続けた。

ハーベイ (E. Newton Harvey) 丨 画像出典: アリゾナ州立大学、米国、
https://embryo.asu.edu/pages/e-newton-harvey

日本の岡山の海岸でウミホタルが青い川を形成する |画像出典:
https://freeyork.org/photography/blue-rivers-sea-fireflies-tricle-oceanside-rocks-japan/

ハーヴェイの研究分野は非常に幅広く、生物発光はその一つにすぎません。彼は偶然にも、微生物が実際に光ることを発見した。 1953年、バーナード・L・ストレーラーは、発光細菌アクロモバクター・フィッシャーリ（別名ビブリオ・フィッシャーリ）から、発光に影響を与える化学分子DPN（ジホスホピリジンヌクレオチド）を初めて発見し、細菌から発光システムを完全に抽出して、細胞外発光を実現しました。ハーヴェイは、この朗報を聞いて、ストレラーの指導者が彼のお気に入りの生徒であるウィリアム・D・マックエルロイであることを知りました。彼は誇らしげにこう言った。「今や私は生物発光研究の祖になったような気がします！」

興味深いことに、ハーヴェイの多くの弟子の中で、ヘイスティングス (J. ウッドランド ハッティングス) はハーヴェイの弟子であると同時に、その弟子の弟子でもありました。 1948年、ヘイスティングスはハーヴェイの指導の下で博士号取得を目指して研究し、1951年にはマケロイの指導の下で博士研究員として研究を行った。ハーベイ研究室では、ヘイスティングス氏はさまざまな種の発光反応に必要な酸素量を定量的に測定する新しい技術を開発しました。ヘイスティングス氏は、マッケロイ研究所でホタルの発光システムという伝統的な分野にしばらく取り組んだ後、発光細菌の研究に目を向けました。

J. ウッドランド ハッティングス |画像出典: ハーバード大学

当時、学界では細菌の行動は独立しており、他の個体から独立していると一般的に信じられていました。この考え方によれば、細菌の数が 2 倍になると、光の強度も同時に 2 倍になるはずです。しかし 1970 年にヘイスティングスは、ビブリオ・フィッシャーリとビブリオ・ハーベイ (1936 年にハーベイにちなんで命名) に特異な現象があることに気づきました。新しく接種した培地では、細菌の数は 30 分ごとに 2 倍になりますが、発光が増加し始めるまでには 2 時間以上かかり、その後は 5 分ごとに明るさが 2 倍になります。

同時に、細菌はホモセリンラクトン (HSL) と呼ばれる分子を培養培地に継続的に放出します。 HSL が一定の濃度に達したときのみ、抑制されていた特定の遺伝子が転写プログラムを開始し、細菌は魅力的な輝きを放つことができます。科学者がクオラムセンシング現象を発見したのは、記録に残る歴史上初めてのことだ。

ヘイスティングス氏はシグナル分子HSLを「自己誘導物質（AI）」と呼んだ。外部誘導物質とは異なり、HSLは遺伝子発現を誘導するだけでなく、細菌自身によって生成されることもできるからだ。

新しいものや新しい理論に関しては、大衆は常にゆっくりとした受け入れのプロセスを必要とし、時には抵抗に満ちていることさえあります。歴史上重要な発見をした多くの人々と同様に、ヘイスティングスも今回同様の状況にありました。学界は彼の発見を受け入れる代わりに、それを嘲笑した。

二

言語システムは壊れている

アゴロン研究所のマイケル・R・シルバーマンは例外だ。彼はヘイスティングスの発見が非常に興味深いと考え、1980年代にクオラムセンシングの中核となる分子メカニズムを発見した。シルバーマン氏は、ビブリオ・フィシェリにおいて、LuxIタンパク質がAI分子の合成を触媒し、受容体として機能するLuxRタンパク質がAIに結合してルシフェラーゼをコードする遺伝子の転写を活性化することを発見した。次に、彼は大腸菌の形質転換実験を行いました。形質転換された大腸菌はシグナル分子HSLを生成することができ、またそれを使って細菌の濃度を感知することもできた。細菌の濃度が閾値に達すると、大腸菌は光り始めます。彼は徐々に、細胞外シグナル分子を生成し検出する遺伝子とタンパク質を特定し、これらの成分がクオラムセンシングを刺激する仕組みを包括的に説明しました。

シルバーマン氏は公の場で話すことはほとんどなく、科学界では常に隠者のような存在だった。偶然にも、博士号を取得しようとしていたボニー・バスラーは、細菌がクオラムセンシングを通じて発光システムを活性化する仕組みに関する彼の講義に出席しました。バスラー氏は、細菌がいつライトを点灯するかを投票で決めることができるのは素晴らしいことだと考えました。さらに重要なことに、彼女は発光細菌を遺伝子研究の材料として使うことの便利さに気づいたのです。彼女は、実験室のスイッチを押して細菌が光るかどうかを確認するだけで、実験の結果を知ることができました。講義が終わるとすぐに、彼女はまっすぐに演壇に駆け寄り、シルバーマンに博士研究員になりたいと伝えた。シルバーマンは彼女の研究に感銘を受け、その場で彼女に仕事をオファーした。この劇的な始まりは、バスラー氏のさまざまな演説の中で最も話題になった場面となった。有能な人材を見つけた後、寛大なシルバーマンは集団感知に関する研究を彼女に引き渡し、再び田舎に引退した。

マイケル・R・シルバーマンとボニー・バスラー |画像出典: プリンストン大学化学科Twitterホームページ

注目すべきは、シグナル分子とそれに関連する遺伝子やタンパク質を発見し、細菌の発光システムの動作手順を大まかに理解したが、この細菌群現象に正式な名前を付けなかったことである。 1978年、ヘイスティングスの博士研究員の一人であるE・ピーター・グリーンバーグがコーネル大学で独自に実験チームを率いて、ビブリオ・フィシェリを使った同様の研究を始めました。生物学の研究は時間がかかり、労働集約的であり、その道のりは長く困難です。 1994 年になってようやく、グリーンバーグの研究チームによるブレインストーミング セッションで、この発光細菌の集団行動に「クオラム センシング」という正式な名前が付けられました。この分野は当時、かなり最先端であり、学界から広く注目を集めるためには、名前は少しユニークである必要がありました。予想通り、「クオラムセンシング」という名前は学界に徐々に広く受け入れられ、ますます多くの科学者が注目して研究し、徐々に大きなグループを形成しています。現在、世界中で何百もの研究所が関連研究を行っています。

しかし、バスラー氏が1990年にアグロン研究所に着任したとき、彼はビブリオ・フィシェリではなく、ビブリオ・ハーベイに注目しました。バスラーは、ビブリオ・ハーベイも同種とコミュニケーションをとる際にHSLオートインデューサーに依存していることを発見しました。違いは、ビブリオ・ハーベイが種間のクオラムセンシングを刺激するために別の化学分子も放出することです。つまり、ビブリオ・ハーベイには 2 つの異なるクオラムセンシングシステムがあるということです。最初のオートインデューサーは種内コミュニケーションに使用され、AI-1 と呼ばれます。 2 番目の自己誘導因子は種間コミュニケーションに使用され、AI-2 と呼ばれます。細菌はまったく自閉症ではなく、むしろ言語の天才のようなものであることが判明しました。

そのとき初めて、科学者たちは細菌の世界にも人間と同じように複数の言語があるかもしれないことに気づきました。その後の研究で、細菌には世界共通の言語があることがわかった。自己誘導物質には、一般的なアシルホモセリンラクトン（AHL）であるHSLだけでなく、他の種類のものもあります。たとえば、グラム陽性細菌は一般にオリゴペプチドシグナル分子（自己誘導ペプチド、AIP）、ビブリオ特異的コレラ自己誘導物質（コレラ自己誘導物質1、CAI-1）、フラノイルホウ酸ジエステル（自己誘導物質2、AI-2）などの種間コミュニケーションシグナル分子を使用します。

これらのシグナル分子の発見は、多くの研究者の懸命な努力の結果であり、また彼らの探究の必然的な結果でもあります。必然性は偶然性を隠してしまうことが多く、時にはロマンスで飾られることさえあります。AI-2 の結晶構造の分析は伝説的なものです。当時、バスラーはプリンストン大学で自分の研究室を独立して率い始めたばかりだった。すぐに、彼女と結晶学者のフレッド・ヒューソンは協力して、実験条件下で生成された AI-2 の結晶構造を分析しました。分析結果はその場にいた研究者全員に衝撃を与えた。なぜなら、AI-2分子には実際にホウ素原子が含まれていたが、「ホウ素」という元素は自然界では極めて稀だからである。さらに驚くべきことは、ホウ素がガラスの試験管から出てきたということです。ガラスの性能を向上させるために、ガラス会社はしばしばホウ素を添加するのですが、この微量のホウ素が自然界のビブリオの生息環境を完璧に回復させます。想像してみてください。もしホウ素を含まないプラスチックの試験管を使用していたら、AI-2 分子構造の秘密はこんなに早く発見されなかったかもしれません。興味深いことに、細菌によって AI-2 の化学的処理方法が異なり、細菌界における普遍的な言語となっています。

さらに興味深いのは、一部の細菌はこの世界共通の言語を使って他の集団を欺くことができることです。例えば、バスラーは、混合細菌集団では大腸菌がコレラ菌の AI-2 を消費し、集団サイズがクオラムセンシングに必要な閾値に達していないと判断することを発見しました。コレラ菌の病原性の鍵は、クオラムセンシングを活性化して毒素を放出し、それが宿主に下痢を引き起こすことです。コレラ菌は、クオラムセンシングに必要な数に達していないと判断すると、その機会を利用して宿主の体から抜け出し、次の犠牲者を探します。このようにして、腸内の大腸菌はクオラムセンシングを妨害することで、コレラ菌の感染とさらなる拡散を防ぐことができる可能性がある。

ボニー・バスラーと彼女の光るバクテリア |画像出典: アメリカ公共放送協会、
https://www.pbs.org/wgbh/nova/body/bassler-bacteria-au.html)

数十年にわたる研究の結果、科学者たちは、クオラムセンシングが細菌内の何百もの遺伝子の発現をオンまたはオフにできることを知りました。言い換えれば、細菌のコミュニケーションプロセスは巨大な遺伝子プログラムを動かすのです。このプロセスは胚発生に似ており、細菌が個々のメンバーからグループのメンバーへの移行を迅速に完了することを可能にします。クオラムセンシングは、バイオフィルムの形成、病原性因子の生成、抗生物質の合成、プラスミドの接合と伝達、細菌の移動と動きなど、細菌の他の多くの行動も制御します。

これらの行動のいくつかは、細菌の病原性メカニズムに関連しています。前述のグリーンバーグ氏はこの分野の第一人者です。彼は独自に研究チームを率いて、ビブリオ・フィシェリの研究に加え、スピロヘータの研究も行い、スピロヘータの分野で多大な業績と影響を与えました。 1988年、母校のアイオワ大学に戻ったグリーンバーグは、ビブリオ・フィシェリのLuxRタンパク質の研究に注力し始めました。

グリーンバーグ (E. ピーター グリーンバーグ) |画像提供: ワシントン大学

当時、シルバーマンは、LuxR タンパク質がオートインデューサーによって活性化される転写因子であり、オートインデューサーに結合して細胞のクオラムセンシングに関与することをすでに解明していました。その後、グリーンバーグ率いるチームは、LuxRタンパク質のC末端は保存されているが、N末端は可変であることを発見した。 C 末端の配列の 30% は発光遺伝子を活性化する能力を保持していますが、シグナル分子は必要ありません。 N 末端に最も近い 60% の配列はシグナル分子に結合できますが、遺伝子の転写には影響しません。つまり、LuxRタンパク質がクオラムセンシングに関与する分子メカニズムをさらに解明し、細菌の言語システムを完全に解明することに一歩近づいたことになります。グリーンバーグは直ちにスピロヘータに関する研究をすべて中止し、クオラムセンシングの「信号」の研究に全力を注ぎました。

会議中に、彼は偶然、ロチェスター大学のバーバラ・イグレフスキーの研究室が緑膿菌（Pseudomonas aeruginosa としても知られる）の病原性因子の調節遺伝子を発見したことを知りました。その遺伝子配列の 1 つは LuxR 遺伝子と非常に相同性が高く、クオラムセンシングが病原性因子の生成に密接に関係している可能性があることを示していました。しばらくコミュニケーションをとった後、彼とイグレフスキーは意気投合し、すぐに協力して緑膿菌のクオラムセンシングの研究に重点を置くことにしました。研究が進むにつれて、クオラムセンシングが病原性因子に関連する多くの重要な遺伝子を制御していることがわかりました。

緑膿菌は広く存在し、一般人の皮膚、呼吸器、腸内にも存在するということは言及する価値があります。しかし、これは条件付き病原体でもあり、院内感染の主な病原体の一つでもあります。同時に、嚢胞性線維症（CF）患者にとっては致命的な死因でもあります。 CF は常染色体劣性疾患であり、米国では約 35,000 人が罹患しています。患者の粘液は濃すぎるため、肺から細菌を排出することが困難で、感染が比較的起こりやすくなります。細胞濃度が低いときに緑膿菌が毒性タンパク質を生成する場合、これは間違いなく宿主に対してできるだけ早く免疫反応を開始するよう警告するものである。しかし、緑膿菌は非常に賢いです。自身の細胞の濃度が非常に高い場合にのみ、クオラムセンシングがオンになり、有毒なタンパク質が生成され、肺組織が破壊され、肺機能が深刻に損なわれます。

治療中、CF患者は抗生物質の服用を継続する必要があります。しかし、緑膿菌は本質的にほとんどの抗生物質に対して耐性があり、すぐに耐性変異を起こす可能性があり、これはまさに傷口に塩を塗るような事態です。 CF患者は長年にわたり、治療法のない泥沼に閉じ込められ、死ぬまで病気に苦しめられてきました。クオラムセンシングの阻害剤がいつの日か開発されれば、CF患者の症状は緩和されるかもしれない。

ヘイスティングス氏はかつてインタビューでこう語った。「がんのような非常に実用的な研究分野に比べると、生物発光や概日リズムは非常に基礎的な研究であり、研究者はそれに対して心からの愛情を持たなければなりません。」彼が予想していなかったのは、生物発光の研究のおかげで科学者たちが徐々に彼の「クオラムセンシング」を開発し、今では知らないうちに基礎研究を実践に導入しているということだった。

三つ

ウイルスは盗聴している

近年、研究者たちは医薬品開発企業と協力し、クオラムセンシング阻害剤の開発に取り組み始めている。これは、患者が細菌耐性に悩まされることがなくなり、できるだけ早く「ポスト抗生物質時代」に入ることができるよう、病気と闘うための新しい技術をもたらすことを目指している。問題は、多くの狡猾な細菌が非常に忍耐強いことです。彼らは、細菌 1 個だけでも、その宿主によって簡単に排除される可能性があることを知っています。つまり、彼らは静かに複製し、分裂し、変異しながら、適切な時期を待つのです。群れが一定の規模に達したと判断するまで、群れは集団行動を開始し、協調して戦い、宿主を攻撃します。彼らが決して「暴徒」ではないことがわかります。このため、科学者や製薬会社は、細菌の「クオラムセンシング」に対抗し、細菌の要塞を突破できる実用的な薬をまだ開発していない。

クオラムセンシングの模式図 |画像はTwitterより

そのような「エリート部隊」にも天敵は存在する。すでに世界には、人間よりも早くその秘密を解明した他の種、つまりバクテリオファージ（細菌に侵入するウイルス）が存在します。

ある日、バスラー大学の大学院生ジャスティン・シルペが、ウイルスが細菌の通信を盗聴できるという大胆なアイデアを提唱した。バスラーは懐疑的だったが、それでも彼に自由に探検することを許可した。シルペはサルモネラ菌に感染させるためにVP882と呼ばれるバクテリオファージを使用しました。彼は、ファージが宿主から分子シグナルを拾うが、細菌とのコミュニケーションには参加せず、それを使って細菌を攻撃するタイミングを決定することを観察した。信号がどんどん強くなると、ウイルスは細菌の個体数が十分に増え、子孫を残して宿主を溶解する時期が来たことを認識します。新たに放出されたバクテリオファージは他の細菌に感染し、細菌軍全体を全滅させます。

シルペ氏が研究結果を発表するちょうど1年前、イスラエルのワイツマン科学研究所の研究所は、ウイルス内に通信システムが存在することを確認した。ロテム・ソレク氏と彼のチームは当初、バクテリオファージを使って細菌に感染させ、細菌がファージを単独で、あるいは集団で反撃するかどうかを観察したいと考えていたが、予想外の発見をした。細菌は非常に静かですが、ウイルスは騒々しいです。ウイルスは独自の言語で情報を送信していることが判明しました。ファージは、いつ宿主細胞内に潜伏し、いつ攻撃するかを知っています。研究が進むにつれて、ソレクはファージが使用するシグナル分子がオリゴペプチドであることを発見し、この分子を「アルビトリウム」と名付けました。

ウイルスの研究を通じて、科学者は微生物のクオラムセンシングシステムについての理解を深め、微生物感染症と闘うための新たな進歩を発見しました。しかし、微生物はどこにでも存在し、何十億年もの間地球上に存在してきたことを忘れてはなりません。科学者のビジョンは素晴らしいですが、これからの道のりは長く困難です。

専門的な指導と忍耐強いレビューをしてくださったイェール大学の Jing Yan 教授に感謝します。

主な参考文献

[1] ギュスターヴ・ル・ボン『群衆：集団の心理学』董強訳、浙江文学芸術出版社、2018年。

[2] フランク・H・ジョンソン『エドモンド・ニュートン・ハーヴェイ（1887-1959）』米国科学アカデミー、1967年。

[3] L.スティーブン・コールズ、バーナード・ストレラー（南カリフォルニア大学、生物学教授）、Journal of Anti-aging Medicine、第4巻、第3号、2001年、p：233-234。

[4] ティンズリー・H・デイビス、「J・ウッドランド・ヘイスティングスのプロフィール」、米国科学アカデミー紀要、2007年1月、104（3）693-695。

[5] ファルーク・アーメド、ボニー・L・バスラーのプロフィール、米国科学アカデミー紀要、2008年4月、105（13）4969-4971。

[6] ティンズリー・H・デイビス、EP・グリーンバーグの伝記、米国科学アカデミー紀要、2004年11月、101（45）15830-15832。

[7] 米国疾病予防管理センターの嚢胞性線維症に関するウェブサイト。
https://www.cdc.gov/genomics/disease/cystic_fibrosis.htm#:~:text=Cystic%20fibrosis%20(CF)%20is%20a,makes%20infections%20more%20likely%3B%20and

[8] Bernard L. Strehler、Milton J. Cormier、「発光細菌Achromobacter fischeriの無細胞抽出物の発光に影響を与える要因」、Archives of Biochemistry and Biophysics、1953年：p16-33。

[9] スーザン・ブリンク「ウイルスは細菌のコミュニケーションを盗聴できる」2018年12月13日。https://www.npr.org/sections/goatsandsoda/2018/12/13/676389858/a-virus-can-eavesdrop-on-bacterial-communication

[10] エリー・ドルギン「ウイルスの秘密の社会生活」ネイチャー、2019年6月18日。
https://www.nature.com/articles/d41586-019-01880-6

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