概要
目を閉じて細菌を想像してください。 おそらくあなたは私たちの腸を描いているのでしょう 大腸菌、またはブドウ球菌の光沢のある金色のボール、またはライム病のスピロヘータのコルクせん抜きの輪。 種やその形に関係なく、あなたの心の目は単一の細胞、あるいはいくつかの自由に生きている細胞を想起させる可能性があります.
この画像の問題は微生物学者によると ジュリア・シュワルツマン、それはほとんどのバクテリアがどのように生きているかを反映していないということです. 多くの場合、バクテリアは粘着性分子を使用して自身を表面に固定し、その中で成長します。 大規模で安定したコレクティブ バイオフィルムと呼ばれます。 歯のプラークはバイオフィルムです。 カテーテルの感染、池のスカムのぬるぬるした緑色、浴槽の排水口を詰まらせるネバネバも同様です。
しかし、シュワルツマンの最近の研究は、彼女がポスドクとして行った オットー・コルデロ マサチューセッツ工科大学の研究チームは、大規模な集塊を形成するための固定点を欠く外洋に浮遊する細菌でさえ、多細胞形態で存在することを示しています。
「信じられないほどのこれらの構造を見ました」と彼女は言いました。
シュワルツマン、コルデロとその同僚が彼らの研究で示したように 最近の論文 現在の生物学、これらの多細胞形態は、バクテリアが単細胞生物で通常見られるよりもはるかに複雑な生活環を発達させたために生じました.
夕食会
シュワルツマンは、海洋細菌の多細胞性に関するこれらの発見にたどり着いたのは、より基本的なこと、つまり細菌がどのように食べるかについて学ぼうとしていたときです。
外洋では、多くの場合、海洋微生物の唯一のエネルギー源はアルギン酸と呼ばれるゼラチン状の炭水化物です。 細胞膜を容易に通過できるグルコース、フルクトース、およびその他の単純な糖とは異なり、アルギン酸は長くコイル状のストランドで構成されており、多くの場合、それらを食べるバクテリアよりも大きくなります。 シュワルツマンは、バクテリアがどのように効率的にごちそうを食べているかについてもっと知りたいと思っていました.アルギン酸を分解するためにバクテリアが分泌する消化酵素は、外洋の水で簡単に希釈されて一掃される可能性があるからです.
そのため、彼女と Cordero の研究室の別のポスドクである Ali Ebrahimi は、発光する海洋細菌の成長を測定し始めました。 ビブリオ・スプレンディダス アルギン酸塩を含んだ暖かいブロスのフラスコで。 多くの微生物学実験では、科学者は微生物に栄養素のバイキングを提供して、細胞ができるだけ早く分裂するように促しますが、シュワルツマンとエブラヒミのフラスコは、 ビブリオ属 バクテリアは、海と同じように、比較的少量の特大アルギン酸ポリマーで生存します。
しかし、シュワルツマンがデータを収集し始めたとき、彼女は初歩的なミスを犯したと思いました。 バクテリアが増殖すると、澄んだ琥珀色の培養液が濁ったシチューに変わります。 シュワルツマンは、濁りを測定することで、フラスコ内の微生物の数を推定し、成長曲線を作成して、細胞の分裂速度を推定することができました。 細菌学者は、数十年にわたってこの方法で増殖率を推定してきました。 ポスドクとして、シュワルツマンは何年にもわたってこれを何回行ったか数え切れませんでした。
彼女の成長曲線 ビブリオ属 しかし、文化は通常の滑らかに上昇する線ではなく、ジェットコースターの軌跡のようなでこぼこした波線を示していました. 彼女がこのプロセスを何度繰り返しても、バクテリアはブロスに予想通りの濁りを生じさせませんでした.
微視的なスノードーム
何が起こっているのかを確認するために、シュワルツマンは培養液の液滴を顕微鏡のガラス スライドに置き、レンズを通して 40 倍の倍率で覗き込みました。 彼女とエブラヒミが見たものは、個々の群れではなかった ビブリオ属 しかし、何百、何千ものバクテリアが一緒に住んでいる、美しい層状のオーブです。
「それは単なるバクテリアの塊ではありませんでした」とシュワルツマンは言いました。 「これは球状のもので、真ん中で細胞が混ざっているのが見えます。」
さらなる研究により、中空球が ビブリオ属海での食事の複雑な課題に対する のソリューション。 個々の細菌は非常に多くの酵素しか生産できません。 アルギン酸の分解は、次の場合にはるかに速く進みます ビブリオ属 一緒にクラスター化できます。 シュワルツマン氏によると、これは勝利戦略であり、ある程度まではそうです。 多すぎる場合 ビブリオ属、細菌の数は、利用可能なアルギン酸塩を上回っています。
バクテリアは、より複雑なライフサイクルを開発することで難問を解決しました。 細菌は XNUMX つの異なる段階で生きています。 最初は、個々の細胞が分裂を繰り返し、娘細胞が集まって塊になって成長します。 第 XNUMX 段階では、凝集した細胞が再配置されて中空の球体になります。 最も外側の細胞が互いに接着し、顕微鏡のスノードームのようなものを形成します. 内部の細胞はより動きやすくなり、閉じ込められたアルギン酸を消費するにつれて泳ぎ回ります。 第 XNUMX 段階では、脆弱な外層が破裂し、十分に栄養を与えられた内部細胞が解放され、新たなサイクルが始まります。
実際には、 ビブリオ属 細菌は異なる遺伝子を使用して各段階での行動を制御し、細胞の不均一な混合物になります。 細胞が構造内で隣接する細胞と相互作用するにつれて、「驚くほどの複雑さ」が現れると、XNUMX月に南カリフォルニア大学で自分の研究室を立ち上げようとしている Schwartzman 氏は述べています。 「バクテリアは常に環境から情報を取り入れており、環境を変える方法で反応することもあります。」
この複雑さは、 ビブリオ属 いくつかの方法で。 ライフサイクルを変更して多細胞段階を含めることで、バクテリアはアルギン酸を効率的に消化できます。バクテリアの数が増え、中空の殻が酵素を濃縮するのに役立ちます. 一方、コミュニティの構造により、過剰な細胞が生まれることはありません。 殻の中の細胞は繁殖する機会を失いますが、オーブの中の細胞はすべてクローンであるため、いずれにせよ、その DNA は次世代に生き続けます。
多細胞性はどのくらい一般的ですか?
によると、その作品は「美しい紙」です。 ジョルディ・ヴァン・ゲステル彼は、欧州分子生物学研究所で微生物発生の進化を研究しており、研究には関与していませんでした。 Van Gestel は、この結果は、微生物の集団生活が例外ではなく、標準であるという考えを裏付けるものであると述べています。
「このような単純な細菌のライフサイクルの複雑さを見事に示しています」と彼は言いました。
アナヒト・ペネシアンオーストラリアのマッコーリー大学の微生物学者は、シュワルツマンとコルデロの研究は、細菌に関する先入観に有用な挑戦を提供すると述べています. 「微生物は単一の細胞にすぎないということは、私たちの理解に深く刻まれています」と彼女は言い、その結果、研究者はしばしば、微生物の生命を支配する可能性のある複雑な行動を探していません. 「植物の種子や胞子を見て、植物全体がどのようなものかを推測しようとするようなものです。」
新しい ビブリオ属 今回の発見は、生涯の少なくとも一部で多細胞になる可能性がある微生物のリストに追加されます。 昨年、ジョージア工科大学の研究者は、研究室の単細胞酵母が進化したことを報告しました。 巨大な多細胞形態 わずかXNUMX年で。 そしてXNUMX月、日本の研究者は 発見を発表した 洞窟の壁で多細胞構造に成長するバクテリア。 岩が地下の流れに浸されると、構造は種子のような特殊な細胞を放出して、他の場所にコロニーを形成します。
Schwartzman と van Gestel は、多細胞性の能力が生命の歴史の早い段階で進化し、バクテリアの古代のいとこである古細菌と共有されていると信じています。 彼らは、研究者が同様の特性を持つ他の種を見つけるのは時間の問題だと考えています - そしてシュワルツマンはすでに探し始めています.
ジェームスシャピロシカゴ大学の退職した微生物学者である彼女は、彼女がそれを見つけることに疑いの余地はありません.
1980年代から、シャピロやその他の微生物学の著名人 ボニー・バスラー プリンストン大学の博士らは、よく研究されたバクテリアの単細胞ライフスタイルは、それらが培養された人工フラスコ環境の産物であることが多いことを示しました。 の 1998の記事 セクションに 微生物学の年次レビュー、シャピロは、バクテリアは単細胞の単細胞生物ではないと主張した. 「基本的にすべての細菌は多細胞生物であるという結論に達しました」と彼は言いました。
シャピロは、XNUMX 年のキャリアの中で、彼の仮説が異端に近いものから議論の余地のないものへと変化するのを見てきました。 「最初は、私は困惑しただけでしたが、今ではそれが社会通念になっています」と彼は言いました。 「多細胞性はバクテリア固有の特性です。」
編集者注: Cordero は、微生物生態系の原則に関する Simons Collaboration の共同ディレクターです。 シュワルツマン、コーデロ、および彼らの同僚による研究は、この編集的に独立した雑誌のスポンサーでもあるシモンズ財団による協力を通じて支援されました.
