100年来の謎だった休眠状態の細菌の胞子が生命を取り戻す仕組みを解明。

HMSのブラバトニック研究所の微生物学教授であるデビッド・ルドナー博士は、「この発見は、1世紀以上前のパズルを解決するものだ。バクテリアはどのようにして環境の変化を感じ取り、保護されたケースの中でシステムがほぼ完全に停止しているときに、休眠状態から抜け出すための行動を起こすのだろうか？」と述べている。

この研究成果は、危険な細菌の芽胞が数カ月から数年間も休眠し、再び目を覚まして大発生するのを防ぐ方法の設計に役立つと考えられる。論文は「細菌胞子発芽レセプターは栄養塩ゲートイオンチャネルである（Bacterial Spore Germination Receptors Are Nutrient-Gated Ion Channels）」と題されている。

眠っていた細菌がよみがえる仕組み

悪環境を生き抜くために、一部の細菌は休眠状態に入り、生物学的プロセスを保留して細胞の周囲に保護膜を張り巡らせた芽胞となる。これにより、細菌は飢饉の時期を待ち、猛暑や乾燥、紫外線、刺激の強い化学物質、抗生物質などの害から身を守ることができる。

100年以上前から、芽胞が環境中の栄養分を感知すると、急速に保護膜を脱いで代謝エンジンを再稼働させることが知られていた。しかし、栄養分を感知するセンサーは50年近く前に発見されていたものの、目覚めの信号を送る手段や、その信号がどのように細菌の復活を引き起こすかは謎のままであった。

多くの場合、シグナル伝達は代謝活動に依存し、特定のシグナル伝達分子を作るためのタンパク質をコードする遺伝子が関与していることが多い。しかし、休眠状態にある細菌の内部では、これらのプロセスはすべて停止しているため、シグナルがどのようにして眠っている細菌を目覚めさせるかという疑問が生じる。

今回の研究により、ルドナー博士らは、栄養センサーが細胞の活動を再開させるための導管に組み立てられていることを発見した。この導管は、栄養素に反応して開き、胞子内部からイオンが放出されることで、休眠細胞が成長を再開するための反応が始まるという。この謎めいた現象を解明するため、彼らは人工知能（AI）ツールを使って、複雑に折りたたまれたセンサー複合体の構造を予測し、機械学習を応用してチャネルを構成するサブユニット間の相互作用を特定した。また、遺伝子編集技術を使ってバクテリアに変異型センサーを作らせ、コンピューターで予測したことが生きた細胞でどのように作用するかを検証した。

ルドナー博士は、「科学で大好きなのは、ある発見をしたときに、突然、意味のわからないバラバラの観察結果がすべてうまくいったときである。パズルを作っていて、1つのピースがどこにあるのかがわかると、突然、さらに6つのピースを素早くはめ込むことができるようなものだ」と語った。彼は、今回の発見のプロセスを、多様な視点を持つ研究者チームが相乗的に協力したおかげで、徐々に形になっていった、一連の交錯する観察結果だと表現している。この過程で、研究者らは、自分たちを混乱させるような驚くべき観察を繰り返し、ありそうでなかった答えを示唆するヒントを得たという。

手がかりを繋ぎ合わせる

ラドナー研究所のHMS研究員であるガオ・ヨンチャン博士は、炭疽病の原因菌の親戚である枯草菌を用いた実験を行い、遺伝子導入による胞子生成の妨げに関する手がかりを得た。研究室の博士研究員であったリオール・アルツィ博士は、ガオ博士の発見を説明する方法として、センサーが受容体であると同時に、栄養素を検出するまで閉ざされたゲートのように機能するという仮説を提唱した。この仮説は、遠縁のバクテリアのタンパク質が、胞子の電気的状態の変化に応じて反応することで、胞子からイオンが流れ出すようになるというものであった。

ルドナー博士は当初、この仮説に懐疑的であった。なぜなら、受容体がプロファイルに合致していなかったからである。というのも、このレセプターはイオンチャネルの特徴をほとんど持っていなかったからだ。しかし、アルツィ博士は、このセンサーは複数のサブユニットが組み合わさって、より複雑な構造になっている可能性があると主張した。つまり、センサーは単一のタンパク質ではなく、複数のタンパク質が結合して構成されているということである。

AIが議論に参加

別のポスドクであるジェレミー・エイモン博士も、タンパク質やタンパク質複合体の構造を予測できるAIツール「AlphaFold」を導入し、胞子の発芽について研究していた。彼は、栄養センサーの調査を呼び水に研究を進めていたのである。

AIツールは、特定の受容体サブユニットが五量体と呼ばれる5つのユニットリングに集合することを予測した。そして、その中には、胞子の膜を通過するイオンを通すチャネルが含まれていることが予測された。この予測は、アルツィ博士が疑っていた通りであった。

ガオ博士、アートジ博士、アモン博士の3人は、AIが生成したモデルを検証するためにチームを組んだ。彼らは、ラドナー博士とともに、受容体を変化させた胞子を作り、その反応を観察した。この研究には、フェルナンド・ラミレス・グアディアナ博士、HMS生物化学・分子薬理学教授のアンドリュー・クルーゼ博士、HMSシステム生物学准教授の計算生物学者デボラ・マークス博士のグループも緊密に協力した。

彼らは、予測された複合体の配置からわずかにずれただけで、ゲートが開いたり閉じたりしてしまい、休眠状態の細菌を目覚めさせる道具として使えなくなることを発見した。ラドナー博士は、「このようなことは、見ればわかるが、事前に想像することは不可能だった」と語り、「複雑なジグソーパズルを、箱の絵も見ずに組み立てようとするようなものだ。今、私らはこの大きな飛躍を遂げ、すべてが完全に明白に思えるようになりたい」と述べた。

人の健康や食の安全への影響

ルドナー博士によると、休眠状態の細菌がどのようにして復活するのかを理解することは、人間の健康にとって重要な意味を持つという。彼は、長期間にわたって深い休眠状態に入ることができる多くの細菌が危険であり、致命的な病原体であることがあると指摘している。

例えば、兵器化された炭疽菌の白い粉は、細菌の芽胞でできている。また、生命を脅かす下痢や大腸炎を引き起こすクロストリジオイデスディフィシルも、休眠状態の芽胞に対しては役に立たない抗生物質を使用した後に起こることが一般的であるという。

芽胞を根絶することは、食品加工工場における中心的な課題でもある。保護膜と脱水状態のために滅菌に抵抗することができるため、殺菌がうまくいかないと、発芽・増殖して深刻な食中毒を引き起こし、莫大な経済的損失が発生することもある。

しかし、芽胞が栄養を感知して急速に休眠状態に入る仕組みを解明することで、早期に発芽させて殺菌する方法や、発芽を阻止して細菌の保護殻の中に閉じ込め、増殖・繁殖させて食品の腐敗や病気の原因にしない方法を開発することができるとルドナー博士は語っている。

この記事は、ジェイク・ミラー氏が書いたHMSのニュースリリースをもとに作成した。

[HMS news release] [Science abstract]