細菌はディナーパーティーを開いたり冗談を言ったりしませんが、独自のやり方で社交的です。食物の存在が成長、繁殖、進化する機会を与えると、彼らは急速に、さらには熱心にコミュニティを形成します。水路に沿って誕生する港湾都市のように、細菌やその他の微生物の多様なコミュニティが成長に適した状況を認識し、自らを構築していきます。

それぞれの細菌都市には起源の物語があります。何か月にもわたって発酵するワインのタンク、嚢胞性線維症患者の肺のバイオフィルム、硫黄を豊富に含む温泉はすべて、一連の創始細胞から始まり、相互作用する種の強固なネットワークを形成していきました。これらの群集は、単一の種が単独では実行できない生化学的機能を実行できます。必要な定足数は ラクトコッカス & 連鎖球菌 力を合わせて力を合わせて与える チェダーチーズ その質感と味わい。腸内細菌叢のさまざまな組み合わせにより、 強化または鈍化 錠剤の効果。

しかし、細菌群集がどのように集合するのか、またなぜ特定の種が繁栄するのかを説明する明確な規則はありません。ほとんどの生物学者は、生物群集の説明に直面したとき、存在する種の名簿をカタログ化します。しかし、細菌種の数は非常に膨大で、その寿命は非常に短く、2 つの種間の違いは非常に小さいため、種名は必ずしも有益な情報を提供するとは限りません。

だからこそ、物理学者から微生物学者に転身したグループが、ゲノム配列決定技術を大規模に利用して、細菌群集を支配する可能性のある普遍的な法則を明らかにしようとしている、つまり微生物に対するビッグデータのアプローチである。彼らは、種を名前で呼ぶのではなく、特定のコミュニティ内でどのような役割が不可欠であるかを認識することを目的として、その生物が何をするかに焦点を当てています。

「冗長性があります。たとえば、2 つの種が同じ機能を実行できます。また、同じ種でも、環境を変えると異なる機能を実行できます」と述べた。 オットー・コルデロ、マサチューセッツ工科大学の微生物学者。 「分類法は機能ほど有益ではありません。」

昨年、コルデロの研究室では、微生物学者が主導した研究が行われました マティ・グラルカ は、種の情報がなくても予測できる一連の微生物の機能を特定しました。大西洋から収集した 186 種類の異なる細菌株の代謝を特徴づけた後、ゲノムのみに基づいて特定の微生物の基本的な食物の好みを予測できることを発見しました。

このパターンにより、研究者は、ある食物源の分解に関与する遺伝子配列を回避することができます。グラルカ氏のチームは、ゲノムの分子組成を測定するだけで好みの食べ物を予測できることを発見した。調査結果は、 自然の微生物.

この分野はまだ初期段階にありますが、微生物生態学者は、野生環境であろうと病院内であろうと、自然に存在する微生物群集を迅速に評価して説明する方法を探しています。彼らは、微生物集合の理論を開発することによって、私たちの周りで繰り広げられる、ほとんど目に見えず、急速に変化する微視的な生態を観察できるようになることを望んでいます。

理論のない分野

微生物学は何世紀にもわたって、目の前にあるものを見る科学者の能力の範囲によって限界がありました。 2000 年代初頭でさえ、微生物学者が細菌群集をペトリ皿にこぼした場合、その中の多様な種、亜種、株を特定するのは途方もない作業でした。あまりにも多くの生物が混在しており、利用可能な食料源が変化し、種が生きたり死んだりするにつれて、時間の経過とともに満ち引きが起こりました。科学者は、形、色、形態、栄養素の要件によって個々のコロニーを一度に XNUMX つずつ識別することしかできませんでした。

このため、近年までこの分野には、マイクロバイオームがどのように集合するかを説明するための定義理論がほとんどなく、実験結果を解釈するための確固たる公理も存在しませんでした。 2007 年、微生物学者のグループは次のように書いています。 ネイチャーレビュー この理論の不在は、データの欠如と、生態学の理論をミクロの世界に適用することが現場全体で不可能であることの両方に起因していると考えられています。理論がなければ、科学分野には構造も形式も予測力もないと彼らは主張しました。微生物生態学者は、群集についてあらゆる観察を行うことができます。その重要性を説明する理論がなければ、何でも真実になる可能性があります。

「私たちは時々、微生物の生態学では驚くべきことではないと不平を言います」と述べた。 アルバロサンチェス、スペイン国立研究評議会とサラマンカ大学の共同研究所である機能生物学およびゲノミクス研究所の微生物生態学者。 「私たちには強力な前例がありません。私たちには予測理論がないので、何も驚くべきことではありません。」

しかし、新しい遺伝的ツールは、微生物群集を記述する新しい方法につながりました。サンガー配列決定法は、何十年にもわたって遺伝子配列決定の最速の方法でしたが、微生物を 2000 つずつ特定することしかできませんでした。その後、2010 年代半ばにハイスループット シーケンス技術が利用可能になり、XNUMX 年代には手頃な価格になりました。微生物学者は、サンプル内に存在する DNA に基づいて種を識別することができました。

微生物生態学者たちはこれに熱狂しました。 「人々はあらゆることを順番に順序立ててやっていた」と彼は語った。 グレン・デスーザ、スイス連邦工科大学チューリッヒ校の微生物生態学者。 「この分野は、誰がそこにいたのかを説明することで占められていました。このバグはこの環境にありました。このバグはその環境にありました。」

突然、大量のデータにより、これまで知られていなかった微生物の多様性が明らかになりました。 2009 年に完全に配列決定された細菌ゲノムは 1,000 未満でした。 2014 年までに、 30,000より。それ以来、その数字は膨らみました。2023 年末には、567,228 個の完全な細菌ゲノムがありました。 簡単に閲覧可能 相互参照が可能です。現在、細菌は入手可能なすべてのゲノム データのほぼ 80% を占めています。

「どれだけの種類の種が存在するのか、人々はまったく知りませんでした」と、現在アムステルダムのヴュー大学で自分の研究室を運営しているグラルカ氏は言う。 「顕微鏡で見ても、それらをよく区別することはできません。」

しかし、コミュニティ内の個々の細菌種を特定するだけでは、科学者にわかることは限られています。彼らの名前は、各バグが何に貢献しているのか、コミュニティがどのように連携しているのかについて必ずしも多くを語っているわけではありません。

「これらのコミュニティは高次元です」と彼は言いました ヤコポ・グリッリ理論微生物生態学者であり、イタリアのトリエステにあるアブドゥス・サラーム理論物理学国際センターの元物理学者です。 「私たちが[彼らを]理解しようとすると、これらのコミュニティには非常に多くの個体群、多くの異なる種が――「種」が何を意味するにせよ――存在するという事実に対処しなければなりません。これらの種はすべて独自の特性を持ち、なんとか共存しています。」

2018で、へ 科学 紙 サンチェスと彼のチームは、微生物学者に彼らの考え方を単純化する許可を与えました。彼らの画期的な研究は、一歩下がって、正確な種名などの非常に具体的な詳細を無視すると、遠くから抽象絵画を見ているかのように、細菌群集の論理をよりよく理解できることを示しました。

グリッリと同様、サンチェスも微生物生態学に転向する前は物理学者でした。 「私が生態学と微生物群集に取り組み始めることにしたのは、量的レベルでは進化ほど研究されていない分野であることに気づいたからです」とサンチェス氏は語った。

この研究のために、彼の研究室はコネチカット州ニューヘブン周辺の枯れ葉と土壌から培養した野生細菌を培養した。彼らは、同じ一連の環境条件（同じ炭素源、温度、酸性度など）が与えられた場合、どの微生物群集も、その始まりに関係なく、ほぼ同じ機能組成に到達することを発見しました。彼の実験では、すべての集団で同じニッチが何度も出現し、満たされましたが、必ずしも同じ種類の細菌によって満たされたわけではありません。

この研究は微生物学者のコミュニティに対する見方を変えました。サンチェス氏が同じ環境からサンプリングされたコミュニティを比較したとき、細菌の名前は常に異なっていたとドゥスーザ氏は述べた。 「しかし、機能的な遺伝子の内容を見てみると、誰が何をしているのか？それは驚くほど似ています」と彼は言いました。 「だから、あなたが誰であるかは関係ありません。あなたが何をするかが重要です。」

ゲノムの予測力

2018年、グラルカさんはMITのコルデロ研究室でポスドクとして働くためボストンに到着したばかりだった。彼は生物物理学者としてスタートし、細胞の物理的特性を個別および集合体で研究していました。彼がコルデロの研究プログラムに参加することを決めたのは、二人の研究者が微生物群集の定量的かつ鳥瞰的な理解を発展させるという同じようなビジョンを持っていたからです。

コルデロは大西洋の微生物をストックした冷凍庫を持っており、彼の研究室はそれを使用して、食物源の周囲で微生物群集がどのように形成されるかについて興味深い発見をしました。 現在の生物学 彼らは2019年に、昆虫の殻を構成する繰り返し糖分子のポリマーであるキチンのボールを、海洋サンプルから増殖した細菌の培養液に落とした。科学者たちはボールを釣り上げて回収し、どのようなコミュニティが形成されているかを調べた。キチンを食べる微生物は予想どおりキチンにくっついていましたが、キチンを食べない細菌も存在していました。これらのバクテリアは、キチンを食べる人が吐き出した副産物を食べているようです。キチンを食べる人と副産物を食べる人はコミュニティを形成していました。

これはグラルカの興味をそそりました。生物群集の種類は、その食物源だけから、つまり元の食物源から、そして最初のバクテリアがそれを分解したときに作られる新しい食物源から予測できる可能性があるように思えた。彼は、微生物群集の開始条件を制御できれば、微生物群集の変化の弧を予測できるのではないかと考えました。

そして、コルデロの研究室に加わった直後、「アルバロ（サンチェス）の研究室から、かなり大きな話題を呼んだ論文が出た」とグラルカ氏は語った。2018年の研究は、予測可能な微生物ニッチが多くの異なる種によって満たされる可能性があることを示している。種よりも機能が重要であるという考えは、彼にとって理にかなっていました。 「土壌の中には、何千もの異なる細菌が見つかることがあります。そうなるとすぐに疑問が生じます」と彼は言った。 「どうして何千もの種が存在するのでしょうか？確かに、さまざまなニッチ分野が何千も存在するわけではありません。」

コルデロとサンチェスの 2 つの洞察を組み合わせて、グラルカは、微生物群集をその開始食物源から予測できるだけでなく、細菌のゲノムからニッチを推測できるのではないかと考えました。

グラルカはコルデロの冷凍庫を試食しました。まず、細菌が好む食べ物に基づいて細菌の特徴を明らかにする必要がありました。ハイスループットのツールを使用して、186 種類の異なる食物源を補充した培養液で 135 種類の細菌を増殖させました。全体として、グラルカは 25,000 を超える細菌サンプルの増殖率を測定しました。

186 種類の細菌には、186 人の異なる人間と同じくらい多くの多様性があり、人間と同様に、細菌もそれぞれ独自のパターンと習慣を持っています。グラルカの細菌の中には、糖で急速に増殖するものもあれば、クエン酸などの有機酸やタンパク質の構成要素であるアミノ酸などの酸で急速に増殖するものもあります。グラルカ氏はそのデータを使用して、その種をその好みに基づいて糖酸軸と呼ぶものに配置しました。

次に、彼は 186 種すべての DNA を配列し、それらが進化的にどのように関連しているかを調べました。グラルカ氏は、同じ系統科内の近縁種がしばしば異なる代謝嗜好を持っていることを見て驚いた。たとえば、棒状の細菌であるアルテロモナダレスの中に酸を食べる細菌が含まれています。 コルウェリア、砂糖を食べる人たち パグラシエコラ そしてあまり好き嫌いが少ない シュードアルテロモナス、両方食べました。これは、種名は特定の微生物群集内での細菌の機能について多くの情報を伝えていないというより広い概念を裏付けるものでした。

その後、グラルカ氏の分析により、バグの DNA がさらに詳しく調査されました。ゲノムと代謝機能を関連付けるために、彼は糖の消化と代謝に関与することが知られている遺伝子を探し出し、酸についても同様のことを行いました。彼は、糖を食べる遺伝子または酸を食べる遺伝子の数によって、各微生物が糖と酸のスペクトルのどの位置に位置するかを予測できることを発見しました。ある種がいずれかのプロセスに対してより多くの遺伝子を持っているほど、その軸の端に位置する可能性が高くなります。 。この発見は、微生物学者が特定の遺伝子の配列を検索することで、生物群集の代謝を大まかに確立できることを示唆しました。

すると彼はさらに驚くべきことを発見した。実際の遺伝子配列を無視して、彼は株の DNA の分子分解を直接観察しました。 DNA の二重らせんでは、向かい合う鎖の 55 種類の塩基が対になり、グアニン (G) はシトシン (C) に結合し、チミン (T) はアデニン (A) に結合します。予想外なことに、酸を食べる動物のゲノムの GC 含有量は平均 40% でしたが、砂糖を食べる動物の GC 含有量は平均約 XNUMX% でした。この相関関係が彼の特定の微生物群集の癖ではないことを確認するために、グラルカ氏は細菌の生命系統樹全体からの数千の参照ゲノムからなる大規模なデータセットを分析しました。このパターンは当てはまりました。一般に、酸の専門家は砂糖の専門家よりも GC 含有量が高かったのです。

このルールは想像できないほど単純に思えました。細菌の DNA の化学的性質から、細菌群集におけるその細菌のニッチが予測されました。グラルカ氏は、遺伝子をまったく調べずに、ゲノムの内容のみに基づいて、ある種が主に糖類を食べているのか酸を食べているのかを特定することができた。統計学とゲノミクスは、分類学では見られなかった単純な順序を発見しました。

微生物の未来を予測する

この研究は、微生物群集についての実践的な予測を行う新しい科学の基礎を築きます。パイプラインが漏れて原油が森林に流出したとします。微生物学者や環境科学者は、その油を食べるためにどのような細菌が出現するかを知りたいと思うかもしれません。医師は、病気の経過とともに患者の腸内微生物叢がどのように変化するかを知り、その予測を特定の抗生物質やその他の薬の処方に利用できる可能性があることを知りたいと考えるかもしれません。

研究者が微生物群集の機能を迅速に推定できれば、多くの疑問に答え、問題を解決することができます。 「私の研究室では、それをコーチのジレンマと呼んでいます」とサンチェス氏は語った。 「たくさんの選手がいるし、スコアを最大化したいなら誰をコートに立たせるべきかを考えたいと思うでしょう。私は 100 株のリストを持っています。それらをバイオリアクターに入れて、できるだけ多くのエタノールを作りたいと考えています。それで、どの菌株を入れるべきですか？

微生物生態学者が明らかにしている法則は、まだその疑問に答えることができません。しかし、微生物の代謝の迅速な評価、つまり細菌群集とその遺伝子の実用的な理論は、いつか生態学的プロセスの世界を研究し管理するために使用できるかもしれない、とグラルカ氏は述べた。

微生物群集は、地球上のあらゆる生態サイクルにおいて重要な役割を果たします。森林で木が倒れると、数多くの菌類やバクテリアが集まり、木を食べて分解し、木の成分を地球規模の栄養循環に戻します。グラルカ、サンチェス、コルデロ、その他の微生物生態学者によって導入された概念により、この新しいコミュニティのニッチは予測可能です。木材は主にグルコースポリマーであるセルロースとヘミセルロースで構成されています。したがって、森林の分解に参加するのに十分な機能を備えたコミュニティは、糖を食べる細菌を宿主とし、糖を消化する遺伝子が豊富で、より低い割合の GC 分子で構成されるゲノムを持つことになるでしょう。アシッド・イーターの突然の不可解な急増は、何か異常事態の兆候である可能性があるとグラルカ氏は示唆した。

糖酸軸は、微生物生態学者が特定したいと考えている群集ニッチの 1 種類にすぎません。コルデロは、究極の目標の一例として森林生態系を提示しました。生態学者は、森林間で共有され、森林間で異なる多くの一般的な特性と機能を定義し、比較と予測を可能にしました。

「葉と幹のバイオマスはどれくらいあるでしょうか?巨大な葉を持つ植物は、熱帯環境でより多くの呼吸を行うことが判明しました」とコルデロ氏は語った。 「根はどれくらい深いの？これは、環境からどれだけの栄養素を摂取できるかを示します。彼らはどのくらいの速さで成長するのでしょうか？彼らの身長はどれくらいですか?彼らは光を求めて競争するのがどの程度得意ですか？」それらの変数のいくつかを知るだけでも、森林の動態について多くのことを知ることができます。

コルデロ氏は、微生物とその群集に類似の特徴がどのようなものがあるのか​​を知りません。細菌のニッチの多くは確かにその代謝と副産物に関連していますが、考慮すべき他の角度もあります。 「これらの変数が何であるかを知る方法と、それらを体系的に特定する方法があれば、それは素晴らしいことでしょう」と彼は言いました。

ある意味、これらの科学者たちは、微生物群集を初めて生態学的にマッピングしているのです。彼らの研究は、微生物群集が実際にどのようなものであるかについて新しい見方を提案し、微生物とは何か、それが微生物の活動として最も適切に定義されることを示しています。

編集者注：コルデロは、シモンズ財団が支援する研究プログラムである「微生物生態系の原理に関するシモンズ・コラボレーション」を主導しており、この研究プログラムにも資金を提供している。 編集的に独立した雑誌. シモンズ財団の資金提供の決定は、私たちの報道に影響を与えません。