「細菌は化学物質の言葉を用いてお互いにお喋りし、防御と攻撃発動をコーディネイトしています」バスラーは語りかける。ここでは、160万ビューを超える Bonnie Bassler のTED講演を訳し、細菌のコミュニケーション法について理解する。
要約
ボニー・バスラーは、細菌が化学物質の言葉を用いてお互いにお喋りし、防御と攻撃発動をコーディネイトしていることを発見しました。この発見は医療や産業、そして我々自身への理解に関する驚くべき影響を及ぼします。
Bonnie Bassler studies how bacteria can communicate with one another, through chemical signals, to act as a unit. Her work could pave the way for new, more potent medicine.
１ 細菌は地球上に最も古くからいる生物で、数十億年以上存在している
細菌は地球上に最も古くからいる生物で 数十億年以上存在しています。それは顕微鏡サイズの単細胞生物です。細胞一つだけで、DNAを一つだけ持っているという 特質があります。遺伝子は非常に少なく それが持つ全ての特徴の遺伝情報が記録されています。細菌は 周囲の栄養素を消費して生活し 大きさが二倍になると、自分で真ん中から二つに分裂し 二つの細胞になり、それを繰り返します。成長して分裂、成長して分裂―退屈な生活ですね。でも私がここでお話しするのは、あなたがこのような生物と 驚くべき相互作用をしているという事です。
２ ヒトは常に体内・体外へ10兆個の細菌をつけている
あなた方は自分を人間だ、と思っていますね。でも私はこう考えています： この人型は、一般的な「ヒト」を 表すとします。そしてこの人型の中の全ての丸は、ヒトを構成している細胞だとします。あなたがヒトであり、ヒトとしていろいろなことができるのには 1兆個のヒト細胞が必要です。しかしあなたは自分の体内、体外に つねに10兆個の細菌をくっつけています。ヒトには、自分の細胞の10倍の細菌が 付着しているのです。もちろん大事なのはDNAで ここにA，T，G，Cの塩基配列があって あなたの魅力的な特徴をもたらす全ての遺伝情報を構成しています。あなたは約3万の遺伝子を持っています。でも、あなたは一生の間に、その100倍の細菌の遺伝子を 体内か体表に持っていることになるのです。あなたはせいぜい10パーセントか、あるいは 測定のしかたによっては1パーセントだけが 人間なわけです。あなたは自分をヒトだと思っているでしょうが 私は、あなたの90-99パーセントは細菌だと思います（笑）
３ 細菌は信じられないくらい重要で、ヒトを生かしている
細菌はただあなたに乗っかっているだけではありません。細菌は信じられないくらい重要で、あなたを生かしています。細菌は目に見えない鎧で 環境の攻撃をはねのけ、私たちの 健康を維持しています。我々の食物を消化してくれ、ビタミンを作り、 免疫系を教育し 悪い細菌を排除させます。つまり細菌は我々が生きていくのに 必要不可欠なものですが そのことで耳目を集めることはありません。しかし、身体に害のあることを色々するといっては しょっちゅう新聞沙汰になります。つまり地球上には、もともとあなたの一生とは 全く関係ない細菌もいて もしそれとかかわると、ひどい病気になるのです。
４ そもそも細菌はどうしてそんなことができるのか？
そこで、細菌がもたらす良いことについて考えたいのか、 それとも悪いことについてなのかが私のラボの研究テーマなのです。問題は、そもそも細菌はどうしてそんなことができるのか？ということです。というのは、彼らはものすごく小さくて 顕微鏡でないと見えません。成長しては増えるというだけの退屈な生活をしていて 社会性のない隠者のようなものと思われています。あまりに小さすぎて、それらが個々に活動する限りは 環境には影響しないように 思われています。そこで私たちは、細菌には他にも生活する手段が あるのではないか考えたいと思いました。この答えの糸口は、海洋性の細菌の ビブリオ・フィシェリからもたらされました。スライドに見えるのは私のラボの誰かが 細菌の入った液体培地フラスコを持っているところで 細菌は海洋由来のビブリオ・フィシェリという、美しく 無害な種です。この細菌の特質は光を発することで 生物発光するわけで 蛍と似ています。別に細胞に何かしたわけではありません。ただ部屋のライトを消して写真を撮っただけで このように見えるのです。
５ 細菌は薄められた培地の中では光らない
ここで興味深いのは 細菌が光っている、ということではなく 「いつ」光るのか、ということです。分かったことは、細菌が孤立している時 つまり薄められた培地の中では光らないということです。しかしそれが増殖して一定の数を超えると 全ての細菌が同時にいっせいに光るのです。問題は、細菌という原始的な生物が、どうやって 自分が孤立している時と 集団の中にいる事を区別して 一緒に何かをし始めるのか、ということです。分かったのは、細菌が光るときは、彼らは互いに話し合っていて そのために化学物質を使っているということでした。
６ 生体発光の仕組み
これを細菌の細胞だとします。一つだけのときは光を発しません。しかし、その細胞は小さな分子を分泌しています。それはホルモンのようなもので 赤い三角で示しています。細菌が一つだけの時は その分子は単に流れ去って、細菌は光りません。しかし細菌が分裂増殖し 皆がその分子を生成するようになると その分子の細胞外での量が、細胞数に比例して 増えていきます。そして分子の数が一定量を超えると それが細菌に、近くにどれだけの仲間がいるかを知らせ 細菌が分子を認識し、そして 同時に発光するスイッチが入るのです。これが生体発光の仕組みで このように化学物質で話し合っているのです。
７ ビブリオ・フィシェリとイカの共生関係の仕組み
ビブリオ・フィシェリが発光する理由は生物学的なもので、 ビブリオ・フィシェリは、海の蛍光灯である このイカの中に住んでいます。これはハワイヒカリダンゴイカで あお向けになっていますが ここに光っている突起が二つあるのが見えるでしょうか。ここにビブリオ・フィシェリが 密集して住んでいて そこにはあの分子があり、光っています。イカがこのいたずらを許容しているのは イカにはこの光が必要だからです。この共生関係の仕組みはこうです： このイカはハワイの沿岸の 膝くらいの深さのところに棲んでいます。イカは夜行性で、昼間は 砂に埋もれて寝ています。夜になると出てきて狩りをするわけです。月夜や明るい星明かりの夜などは その光が水を通ってきて イカのいる深さまで到達します。つまり数フィートの深さです。イカは、細菌が棲んでいるこの発光装置を 開いたり閉じたりするシャッターを持っています。イカは背中にセンサーを持っていて 月や星の光がどれくらい背中に当たっているかを感知し 例のシャッターを開閉して イカの底部から出てくる光を ―それは細菌が作っているわけですが― それを背中に当たっている光と正確にマッチさせ イカが影を作らないようにするのです。イカは細菌の作る光を利用して 外敵防御デバイスの中の発光装置を作り 捕食動物が、影からイカの航跡を計算して 捕食するのを防いでいるのです。海のステルス爆撃機です(笑)
８ 太陽が昇ると細菌の95%を体外に放出してしまう
でもあなたはこう考えるかも：イカには大変な問題があり 死にかけた大量のバクテリアを抱えて それを維持できない、と。そこで早朝、太陽が昇って 砂の中に埋まって寝る時 イカは日内リズムに連動したポンプを持っていて 太陽が昇ると細菌の95%を体外に放出してしまうのです。そこで細菌は薄まり、ホルモン分子は流れ去り 細菌は光らなくなります。イカは気にしません。砂の中で眠るんですから。一日が過ぎていくと細菌は増殖しながら 例の分子を放出し、ちょうどイカがそれを必要な 夜になると光るようになります。
９ 私たちの細胞の表面のレセプターと同じ
最初我々は細菌がどうやってこれを実現するのか調べましたが つぎに分子生物学の道具を持ち込み 実際どんなメカニズムなのかを調べてみました。分かったのは―もう一度これは細胞だとしますが ビブリオ・フィシェリはタンパク質― この赤い四角―を持っていて、それはあの ホルモン分子―赤い三角―を作る酵素で 細胞が増えると、それらが皆この分子を 周りに放出し、分子が多く存在することになります。細菌はまた表面にレセプター(受容器)を持っていて さっきの分子と「鍵と鍵穴」のように組み合わさります。私たちの細胞の表面のレセプターと同じです。分子が一定の量を超えると それが細胞の数に関する情報を伝え レセプターに結合し それで情報が細胞内に伝わり 細胞が同時に光るための スイッチをオンにします。
10 細菌は互いにお喋りできるという「クオラムセンシング」
なぜこれが面白いかというと、過去10年間で これが単にへんてこな、 暗い夜の海で光っている細菌特有のものではなく 細菌全般に見られることがわかったからです。つまり、細菌は互いにお喋りできることが分かったのです。化学物質を言葉にし、その言葉を認識し 全ての細胞が同時に参加した場合だけ 作動する集団行動のスイッチを入れることができるのです。これにはきれいな名前がついていて「クオラムセンシング」といいます。細菌は化学物質で投票を行い 投票は計測され、皆がその投票に反応するのです。
11 細菌は常にクオラムセンシングで病原性を制御している
今日の話で重要なのは このように細菌が集団で行う行動は 何百とあるということが分かっていることです。その中で、我々に最も重要なのは「毒性」についてです。たかだか数個の細菌が体内に侵入し 毒素を分泌し始めるようなことではありません。あなたは巨大です。何も影響を受けません。巨大なのです。わかっているのは、何が起きるかというと 細菌は侵入すると、まず待ち、増殖を始め、 そして例の分子で自分たちの数を数え、 決められた細胞数を越えたと認識し、 もし全ての細菌が一度に毒性の攻撃を開始すれば 攻撃は成功し、巨大な宿主を倒せることになります。細菌はつねにクオラムセンシングで病原性を制御しています。そういう仕組みです。
12 それぞれの分子は特定の相手のレセプターにしか結合しない
我々はそれからこれらの分子構造がどんなものか調べました。前のスライドの赤い三角のことです。これはビブリオ・フィシェリの分子です。これを使って互いに喋るのです。そこで私たちは別の細菌を調べ始め これらはその過程で発見したいくつかの分子です。理解していただきたいのは これらの分子に共通点があることです。分子の左側は全ての細菌で 同じです。しかし、分子の右半分はそれぞれの種で少しづつ違います。その部分が、種に特徴的で 詳細な情報を与えるのです。それぞれの分子は特定の相手のレセプターにしか結合しません。つまり私的で秘密の会話をするのです。これは種の内部での会話です。それぞれの細菌は独自の分子を使い それで同類種の数を数えることができるのです。
13 身体のどの部分でもあらゆる細菌がいる
そこまでいくと、我々は 細菌が社会的行動をするという理解をし始めたと思いました。しかし、そこで我々が本当に考えたのは、大抵の細菌は 自分だけで生活しているのではなく、考えられないような混合物― 何百種・何千種が混ざった状態で生活していることでした。それがこのスライドに示されています。これはあなたの皮膚です。これはただの写真ですが―あなたの皮膚の顕微鏡写真です。身体のどの部分でも大体このように見えます。見ていただきたいのは、あらゆる細菌がいるということです。そこで考えたのは、もしこれが本当に細菌同士のコミュニケーションで 同類を数えているとすれば 単に同種族だけを数えていては不十分だろうという事です。細菌の集団の中で、自分以外の細菌の 統計調査をする必要があります。
14 細菌は多言語を話す
そこで分子生物学に戻って 様々な種族の細菌を調べ 今分かっているのは 細菌は多言語を話すということです。細菌はそれぞれ種独自のシステムを持っていて 「私」と発言する分子があるわけですが それと並行して第二のシステムがあり それが種間で共通の言語なのです。つまり細菌は第二の信号を作る第二の酵素を持っていて それ専用のレセプターがあり それが細菌種族間の交易言語なのです。それは様々な種の細菌に用いられ 種族間の通信言語なのです。つまり細菌は「自分」がいくついるかと同時に 「自分以外」がいくついるかも数えられるのです。細菌はその情報を内部に取り込み どの種が多数派か、どの種が少数派かによって — それがどのような比率であっても — 実行すべき課題を決めるのです。
15 細菌が互いに話したり聞いたりできなくしたらどうなるか
そこで再び化学に戻って この共通の分子が何かを調べました。スライドの中ではピンクの楕円に見えるところ、それです。それは非常に小さな炭素5個の分子です。そこでわかった重要なことは 全ての細菌がまったく同じ酵素を持っていて 全く同じ分子を作ることでした。つまりこれらの細菌は皆、種族間の 通信のためにこの分子を使っているのです。細菌のエスペラント語です（笑）そこまでくると、我々は 細菌がこの化学言語で話し合えることを知りました。そこで考えたのは、ここで私たちにも実用的な何かが 出来るかもしれないということでした。細菌がこのような社会行動をするのだ、とお話ししました。分子で情報交換するのです。そしてまた、クオラムセンシングを使って病原性を発揮するのが 重要な点だと話しました。そこで考えました。細菌が互いに話したり 聞いたりできなくしたらどうなるか？、と。新しい種類の抗生物質になるのではないか？
16 細菌は恐ろしく多剤耐性で、全ての抗生物質は殺菌性
もちろん皆さんは、我々の抗生物質の選択肢が 底をついてきていることを聞いたでしょう。現在では、細菌は恐ろしく多剤耐性で なぜなら全ての抗生物質は殺菌性だからです。それは細胞膜を攻撃するか、あるいは 細菌がDNAを複製できなくします。伝統的な抗生剤は細菌を殺すのですが その結果、耐性菌が生き残るのです。そして私たちは現在、このような世界規模の 感染症の問題に直面しています。そこで考えました。さて、行動修正のようなことをして、 この細菌同士が話せない、つまり計数できなくして 毒性の発動時期を分からなくしてしまえばどうだろう？、と。
17 毒性の発動時期をわからなくさせるための2つの戦略
それがまさしく我々のしたことで、二つの戦略を取りました。最初の標的は 種族内のコミュニケーションシステムです。そこで我々は、実際の分子に似ているが ご覧のように、少し違ったものを作ります。それでこの物質はレセプターに結合し 本物の分子の認識を妨害します。赤いシステムを標的にすることで 細菌種か病気の種類に特化して 対クオラムセンシング分子を作ることができるのです。同じことをピンクのシステムでも行えます。共通言語分子を取り出し、それをちょっとひねって 種族間通信システム用の 拮抗薬を作りました。希望するのは、それが、全ての種類の細菌用の 汎用抗菌剤として使えるかもしれないことです。
18 抗生物質に加えて、抗クオラムセンシング分子剤も与える
最後に我々の戦略をお見せします。この中では私は種族間分子しか使っていません。しかし論理はまったく同じです。つまり細菌が動物に侵入した場合― この場合はマウスですが― それはすぐには毒性を発揮しません。侵入し、増殖し始め、それから クオラムセンシング分子を分泌し始めます。細菌は自分がいつ攻撃活動をできるだけの 十分な数になったかを認識します。そして動物が死にます。我々にできるのはこういう毒性の強い感染に対して （抗生物質に加えて）抗クオラムセンシング分子剤も与えることです。クオラムセンシング分子に似ているが このスライドのように少し形が違っているものです。わかっているのは、多剤耐性の病原性細菌にかかった 動物を、抗生物質と同時に抗クオラムセンシング分子剤で 治療すると、実際のところ 動物は生き残るのです。
我々はこれが次世代の抗生物質になり 少なくとも暫くの間は、耐性という大問題に 対応できるでしょう。考えていただきたいのは、細菌は互いに喋ることができて 言葉として化学物質を使い 非常に複雑な化学上の語彙を使い それについては研究が始まったばかりです。もちろん、この方法により細菌は 多細胞の様に振る舞う事ができます。TEDの精神に倣い、彼らは協力して事に当たります。それで変化を起こせるからです。つまり細菌は集団行動を行い 単体では決して出来なかったような 課題を行うことが できるのです。
19 多細胞の組織の行動ルールは細菌が決めた
みなさんにさらにお話したいのは これが「多細胞性の発明」だということです。細菌は何十億年も前から地球にいます。人間は、数十万年です。多細胞の組織の行動ルールは 細菌が決めたのです。細菌を研究することで 人間の身体の多細胞性についても洞察を得ることができるでしょう。もし我々が原理と法則を 原始的な生物から発見することができるのならば うまくいけば、我々はそれを ヒトの他の病気や行動にも応用できるのです。お分かり頂けましたか。細菌が自分と他者を区別できることが 「自分」と「自分以外」と話す二つの分子を使うことで もちろんそれを我々は 分子的なレベルや より広い視野から行っており 私は分子の方について考えています。
身体の内部でまさしく起きていることです。体内で、心臓の細胞と人層の細胞が混ざり合っているというようなことではありません。このような化学変化がいつも起きていて ここの部分の細胞は何になるのか、また何のためにそうなるのかを 分子が語るのです。また、細菌がそれを発明し 人間はそれにちょっと手を加えただけのことで 全てのアイデアは、我々が研究できるシンプルなシステムの中にあると思います。
20 細菌に我々がしてほしいことをやってもらおう
最後に、この話の実用的な部分を繰り返しますが 我々はこういう抗クオラムセンシング分子を作り出し 新しい治療方法として開発しているのです。そして、地球上のあらゆる、善良で素晴らしい 細菌のために 我々は「向クオラムセンシング分子」を作っており それによってシステム内で分子がよりよく働くことを狙っています。思い出して下さい。あなた自身の10倍の細菌が あなたに付着しています。あなたの健康を維持するために 我々がやろうとしているのは、あなたと共生している細菌の 会話システムを強化し あなたがさらに健康になれるように 会話をさらに良くして 細菌に、我々がしてほしいことを、彼らが普通に 行う以上にやってもらうことです。
最後に皆さんにご覧に入れます これが、ニュージャージー州プリンストンの私の同僚です。私が話した全ては、この写真の誰かが発見したのです。何かを学ぶ時、 たとえば自然界のしくみなどについて なにか自然界の可笑しいことについて、あなたが 新聞で読んだり耳にする事は、 子どもがやっています。科学はここに示されているような人々がやっています 彼らは20歳から30歳の間で この国の科学的発見のエンジンです。一緒に仕事をすることができてラッキーな人たちです。私はだんだん歳をとりますが、彼らの年は変わらない 最高に楽しい仕事です。ここに呼んで下さってありがとう。このカンファレンスに来る事ができて光栄です（拍手）ありがとう（拍手）
最後に
細菌は地球上に最も古くからいる生物で、数十億年以上存在している。ヒトは常に体内・体外へ10兆個の細菌をつけている。細菌は薄められた培地の中では光らない。細菌は互いにお喋りできるという「クオラムセンシング」。細菌は常にクオラムセンシングで病原性を制御している。（抗生物質に加えて）抗クオラムセンシング分子剤も与えること。細菌に我々がしてほしいことをやってもらおう。
和訳してくださった Masahiro Kyushima 氏、レビューしてくださった Akira KAKINOHANA 氏に感謝する（2009年2月）。
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