海洋藍藻は微細な海洋植物で、日光と二酸化炭素を使って酸素と有機炭素をつくり出し、生物地球化学的循環と栄養塩循環の原動力になっている。藍藻は、酸素を他の生物に供給するだけでなく、藍藻そのものが他の生物の栄養分になる海洋食物連鎖の底辺を形成している。
MITの研究チームは、この微小な細胞群が非常に大きな役割を果たしていることを発見した。
この藍藻が常時小胞と呼ばれる小器官を生成し、細胞外に放出していることを突き止めたのである。この小胞は球形の物体で、有機炭素その他の栄養分を含んでおり、他の海洋生命体の食餌になる食料パッケージの役割を果たしている。しかもこの小胞にはDNAも含まれていて、同種のバクテリア集落中あるいは集落間で遺伝子導入の手段になっていることが推測される。そればかりか、DNAを持っている小胞はバクテリオファージの攻撃をかわすおとりの役割も果たしているかも知れないのである。
2014年1月10日付Science誌に掲載された研究論文で、博士研究員のDr. Steven Biller、Professor Sallie (Penny) Chisholmと共同著者らは、藍藻の中でももっとも一般的な2種、プロクロロコッカスとシネココッカス由来と見られる細胞外小胞を多数見つけたと報告している。研究チームは、藍藻の培養液にも、ニューイングランド地方の富栄養な海岸の海水やサルガッソ海の貧栄養な海水からも小胞 (いずれも直径100ナノメータ程度) を発見した。細胞外小胞は1967年に発見され、ヒトに感染するバクテリアの小胞についてはかなり詳しく研究されてきたが、大洋の海水中にも存在する証拠が見つかったのは今回が初めてである。研究論文第一著者のDr. Billerは、「小胞が海洋にふんだんに漂っているという発見は、これまでの小胞に関する理解が不足だったことを意味している。これまで海洋生態系の中で溶解有機炭素としての小胞の役割はまったく考えられておらず、また研究もされていなかった。今後、小胞が大洋中で遺伝交換や生物地球化学的物質交換の重要な手段になっていることが照明されるかも知れない」と述べている。
Dr. Billerの研究チームによる海水中の小胞のメタジェノミクス解析により、幅広い種類の細菌のDNAが明らかになり、多種の海洋微生物で小胞生成が普通に行われていることを示している。研究チームは、地球全体ではプロクロロコッカスだけでもその小胞生産量は1日に10億の3乗個にものぼると推定している。大洋の乏しい栄養量を考えると毎日相当な量の有機炭素分が補給されていることになる。研究室での実験でも小胞はかなり安定した物質で2週間以上保つこと、また、小胞内の有機炭素は非光合成細菌の成長を支えるのに十分な量であることが突き止められている。Dr. Chisholmは、「大洋の栄養分はごく貧しいということを考えると、この生命体が自分の体の6分の1に相当する栄養の詰まった小胞を毎日せっせと体外に送り出すというのは理解に苦しむことだ」と述べている。プロクロロコッカスは特定化合物を中和する能力を失っており、しかもその化合物がプロクロロコッカスにとって有害なため、その分解を非光合成細菌に任せているのである。小胞の「ランチ・パック」がプロクロロコッカスと非光合成細菌の共生関係に役立っている可能性がある。
この研究の研究責任者で、MITのDepartment of Civil and Environmental EngineeringとDepartment of BiologyのLee and Geraldine Martin Professor of Environmental Studiesを務めるDr. Chisholmは、「プロクロロコッカスは、日光と二酸化炭素で有機炭素をつくり出すことのできる生物の中ではゲノムがもっとも小さく、その有機炭素を小胞に包み込み海水中に放出している。進化の過程でそうすることに何らかの利益があったはずなのだ。それが何だったのかを突き止めることが私たちの研究の課題だ」と述べている。小胞にはDNAやRNAも含まれているため、研究者は、小胞は、プロクロロコッカスのメタ個体群の間で遺伝的多様性を拡大し、生態系的に有用な遺伝子を共有するため、遺伝子の水平伝播の役割を果たしているのではないかと推測した。しかし、小胞の目的として考えられるもっとも意外な仮説は天敵に対するおとりではないかという説である。電子顕微鏡下での観察で細菌を攻撃するタイプのウイルスであるファージが小胞に付着することが知られている。ファージが小胞にDNAを注入すると、(ファージは生きた細胞でしか増殖できないため) 攻撃能力を失う。このような小胞を、Dr. Billerは、ジェット戦闘機がミサイルの攻撃をかわすために後方に散布するチャフと呼ばれる金属箔にたとえている。小胞に結合したファージは事実上戦場から離脱することになる。これは実に独創的なファージ攻撃抑止体制といえる。
この研究には関わっていないUniversity of Warwick教授の生物学者、Dr. David Scanlanは、「海洋藍藻の中でもプロクロロコッカス属とシネココッカス属はもっとも一般的な光合成生物であり、細胞外小胞を放出するこのような生命体活動の発見で、地球上で最大の生態系である大洋におけるこの微小な粒状物質の重要性が注目されるようになった。小胞の存在は、海洋の炭素循環、水平遺伝子伝播、ファージの攻撃に対する防御機能など様々な理由が考えられる」と述べている。Dr. Chisholmが小胞の存在に注目したのは、2008年、当時大学院生だったDr. Anne Thompsonが、電子顕微鏡を使ってプロクロロコッカスを調べている際に、細胞の表面に微細な水疱状の物を見つけた時だ。Ms. ThompsonもDr. Chisholmも、そればかりか他の海洋生物学者も写真に映っているその球体が何なのか分からなかった。ところが、2010年になって、大学院で土壌中の細菌の研究を終え、Dr. Chisholmの研究室に加わったDr. Billerがその球体を小胞と認めたのだった。
この研究には、Dr. Biller、Dr. Chisholm、Dr. Thompsonの他、MITのDepartment of Earth, Atmospheric and Planetary SciencesのDr. Florence Schubotz、Dr. Roger Summons、元MITラボ・テクニシャンで現在はTufts University大学院生のMs. Sara Roggensackが参加している。また、この研究には次の諸団体の研究資金援助があった: Gordon and Betty Moore Foundation、National Science Foundation’s Center for Microbial OceanographyのResearch and Education and its Biological Oceanography Program、MIT Energy Initiative。またこのプレスリリースは著者はMIT所属のDenise Brehm。
写真キャプション: MITのSallie (Penny) Chisholm研究室の研究者らは、初めて海洋微生物が生成する細胞外小胞についての研究文献を著した。写真はプロクロロコッカス藍藻の走査型電子顕微鏡写真。矢印は球形の小胞の一つを示している。(画像提供: Steven Biller/Chisholm Lab).
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: MIT Study Discovers Extracellular Vesicles Produced by Ocean Microbes
