生命環境系 豊福 雅典 助教
一人ひとりの力は小さくても、みんなが集まれば大きな能力を発揮する。これは細菌の世界にも当てはまります。単細胞の細菌も、じつは集団を形成して、あたかもひとつの多細胞生物のように振る舞っているのです。それが「バイオフィルム」です。台所の排水溝などにくっついているヌルヌルもそのひとつだと聞けば、あまり良いイメージではないかもしれません。しかし、細菌にしてみると、集団をなすことで、一部の細胞が死んでも全体は生き延びるので、よくできた生存戦略です。
ひとつのバイオフィルムの中に、たくさんの種類の細菌が含まれていることもあります。外側から集まってくるものもあれば、内部で増殖するものもあり、環境に応じて形を変えたりもします。また、表面近くと奥とでも環境が異なるため、フィルム中のどのあたりにいるかによって、同じ遺伝子を持つ細菌でもその発現に違いが生じます。そのなかで、活発な部分が現れる一方で、一部は死につつも、全体として複雑な働きをするようになります。そのような集団を制御するには、メンバー間のコミュニケーションが欠かせません。細菌の「言語」は化学物質です。バイオフィルムからは、さまざまな化学物質が放出され、集団内の細菌同士や他のバイオフィルムへのメッセージとして伝えられます。
（この小さな試験管の中には109個もの細菌が存在する）
豊福さんが最近発見したのは、バイオフィルム内の細菌が、自分の細胞膜から小さな袋状の入れ物「ベシクル」を作り、この中にメッセージとなるシグナル物質を詰め込んで、これを外側に放出するというコミュニケーションの仕組みです。ベシクルは環境中を漂いながら、中のシグナルを他の細胞に受け渡します。シグナル物質としては今のところ、数十種類の化合物が知られていますが、細菌によって、受け取ることのできる物質、つまり通じる言語が異なります。ですから、仲間を集めたり、環境の変化を知らせるためのメッセージの場合もある一方で、受け取っても意味がわからなかったり、受け取ってみたら毒だったというようなこともありえます。逆に、シグナル物質の意味を読み解くことができれば、人間が細菌にメッセージを送り、特定の働きをさせることもできるわけです。
個々の細菌は単細胞生物ですが、腸内細菌のバランスや、薬剤抵抗性の獲得など、細菌を集団として考えないと説明できない現象がたくさんあります。悪さをする細菌だけを取り除こうとしても、ことはそれほど簡単ではありません。健康維持、環境保全、食料供給など、人間の生活だけでなく地球上の諸々の生命活動の維持も、細菌なくしては成り立ちません。そのためにも、細菌の言語を理解して、かれらの能力をうまく利用したり制御することができれば、どれほどの恩恵がもたらされるかわかりません。
細菌からベシクルが形成・放出される様子は、顕微鏡像を継時的に捉えた動画で確認することができます。こうすると、実際にどんなことが起こっているのかが、一目瞭然。こういったメカニズムの理解には、観察技術の開発も不可欠で、近年のバイオフィルム研究を支える重要な要素になっています。豊福さんの次の目標は、顕微鏡や遺伝子組み替えといった研究手法を駆使して、ベシクルから拡散されたシグナル物質が集団内を伝わっていく仕組みや、集団を形成する個々の細胞の関わり合いを探ることです。
豊福さんが細菌に興味を持ったのは大学3年時のこと。動植物の研究をしたいと漠然と考えながら研究室訪問する中で、単細胞の細菌がコミュニケーションすることを知って衝撃を受けました。実際に研究に取り組んでみて、細菌学は普遍性と多様性の学問だと感じているといいます。個々の細菌は多様である一方で、集団として振る舞うときの現象は普遍的。その両面から、生命とは何かを理解しようとしています。
ベシクルは、私たちの周囲にもたくさん漂っているそうです。けれどもどのくらい遠くまで届き、どんなタイミングでメッセージを発するのかは、まだわかっていません。環境中で採取したベシクルを分析してみると、まるでタイムカプセルのように、古代に作られたものが見つかることもありえるそうです。ひょっとするとそこには、地球上で何十億年も生きてきた細菌の生き残る知恵が詰まっているのかもしれません。
（ベシクルの電子顕微鏡写真（左）とイラスト 球形のものがベシクル、桿状のものが細菌）