希少動物のマイクロバイオームには、生存の秘密が隠されていた

希少動物のマイクロバイオームには、生存の秘密が隠されていた

https://www.scientificamerican.com/article/rare-animals-microbiomes-harbor-survival-secrets/

絶滅の危機に瀕した生物の微生物生態系が、科学者たちの手によって解明され始めている。

ケイト・エバンス著 2023年1月1日発売
サイエンティフィック・アメリカン 2023年1月号
希少動物のマイクロバイオームには生存の秘密が隠されている
研究者たちは、カカポのような希少な生物に含まれる細菌群集を調査している。Credit: Stephen Belcher/Minden Pictures

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ニュージーランドに生息する絶滅寸前の世界一重いオウム、カカポは、飛べない夜行性で、香りのよいモスグリーンの羽、奇妙なひげ面、最長90年の寿命、そしてほぼ大腸菌だけでできた腸内マイクロバイオームを持っています。人間と同様、他の動物も消化管や皮膚などに何兆もの細菌、ウイルス、古細菌、真菌を保有しており、食物から栄養素を抽出し、病原体と戦い、免疫を発達させるための内部生態系を形成しているのだ。遺伝子配列の解読がより安価で高度になった現在、科学者たちは絶滅危惧種に特有のマイクロバイオームを調査し、絶滅を回避するための知見を得ようとしています。

オークランド大学の微生物生態学者アニー・ウェストは、こうした研究によって、カーカポーは外見だけでなく内面も奇妙であることが明らかになったと語る。「彼らのマイクロバイオームは、彼らの他のすべてのものと同様に、かなり奇妙です」。捕食者のいない5つの離島に約250頭のカーカポが残っており、ニュージーランドの野生動物当局によって集中的に管理されている。2019年、政府職員とボランティアは、成長した67羽のヒナから茶色がかった緑色の新鮮な糞と巣材を採取し、DNA分析のためにサンプルをウェストに送りました。

大腸菌は人間の消化器官に広く存在するが、そこに生息する細菌のごく一部を占めているに過ぎない。これまでの研究で、この微生物が成人のカーカポーの腸内を支配していることがわかっていた。その割合は個人差がかなりあり、マイクロバイオーム全体の99パーセントを占める場合もある。West教授らの新しい研究は、『Animal Microbiome』誌に報告され、カーカポーの孵化直後には、すでに大腸菌がその腸内の大半の微生物を形成していることが判明した。そしてこの優勢は、ヒナが成長するにつれて増していく。

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「これは非常に珍しいことです。人間でこれを見たら、心配になるでしょうね」とウェストは言う。しかし、マイクロバイオームがあまりに均質だと、その種が必要とするすべての機能を果たせなくなる可能性があるため、懸念されることがある。「多様性が失われれば、マイクロバイオームの機能が失われる可能性があるのです」とウェストは補足する。さらに研究チームは、カーカーポーのヒナにベビーオウムの餌を与えたところ、別の細菌が代わりにマイクロバイオームを支配するようになったことも明らかにした。

カカポのマイクロバイオームが単純化されているのは、この鳥が極めて希少であることが一因であると考えられる。今回の研究には参加していないが、中国南京師範大学の生態学者であるLifeng Zhu氏は、動物の個体数が減少したり断片化したりすると、それらが宿主とする微生物も失われることが他の研究で示されている、と言う。「生態系や種の多様性だけでなく、動物の体内のマイクロバイオームの多様性も保全する必要があります」と朱教授は言う。気候変動、生息地の劣化、人間との接触、飼育下での時間、これらすべてが動物のマイクロバイオームを劇的に変化させる可能性があるのです。

Zhu氏自身の研究によると、飼育施設にいるジャイアントパンダは、野生のパンダとはまったく異なる微生物を持っています。飼育されていたパンダを放すと、微生物が1年かけて変化し、その間に病気になりやすくなるのです。「パンダには、行動の野生化だけでなく、腸内細菌の野生化も必要なのです」と朱は言う。

フリンダース大学の海洋生物学者エリザベス・ディンズデールは、サメと一緒に潜水して皮膚微生物のサンプルを採取している。彼女が発見した微生物の約90％は科学的に新しいもので、彼女のチームは典型的な皮膚マイクロバイオームによってジンベエザメの異なる個体群を識別している。

次の大きな疑問は、これらの微生物が宿主に対してどのような働きをしているのかということだ。全ゲノム配列解析により、繊維の消化、塩分耐性、重金属の処理などのタンパク質を作る遺伝子が明らかになり、ヒントが得られる。微生物の役割を確認するために実験室でコロニーを培養することは、現在のところ、多くの微生物にとって時間がかかり、コストが高く、困難である。しかし、最近開発されたロボット技術により、このプロセスが迅速化され、各微生物が他の微生物と協調してどのように作用するかを観察できるようになることが期待されています。

アドバタイズメント
すでに一部の研究者は、マイクロバイオーム工学の実験を行っている。例えば、サンゴの粘液微生物群は気温や汚染に敏感です。海水が暖かくなりすぎると、サンゴが依存している共生微細藻類が排出され、白化する可能性があります。ディンズデールによれば、オーストラリアでは、科学者たちが、変動する気温に慣れたバクテリアを「一種の微生物の霊薬」としてサンゴに投与することで、気候変動に耐えられるかどうかを試しているとのことです。また、オーストラリアの生態学者たちは、有袋類の象徴であるコアラが異なる種類のユーカリを消化できるように、糞便の移植によってコアラのマイクロバイオームを変化させることが可能であることを示しています。

米国では、コロラド大学ボルダー校のヴァレリー・J・マッケンジーの研究室が、ツボカビ症からホウキガエルを救おうと、プロバイオティクスを使用しています。両生類は粘液で覆われた皮膚に豊富なマイクロバイオームを持っているが、そこに壊滅的な菌類であるツボカビ症（Batrachochytrium dendrobatidis）が襲いかかるのである。マッケンジー教授のチームは、絶滅危惧種であるヒキガエルのロッキー山脈の生息地に自然に存在し、その皮膚に少量存在する強力な抗真菌性細菌を特定した。研究グループは、このプロバイオティクス微生物をヒキガエルに投与したところ、真菌感染から生き延びる能力が40%上昇したことを実験室で明らかにした。

次にマッケンジーたちは、野生の若いヒキガエルを捕獲し、温泉のような「ウォーターホテル」でプロバイオティクスを24時間浴びさせてから放した。マッケンジー氏は、「この治療法が効果を発揮するためには、ヒキガエルの発育に最適な時間帯に投与する必要があります」と述べている。処理したヒキガエルを再捕獲したところ、対照群と比べて病気の発生が少なかったのです。

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ウェストは、マイクロバイオーム研究がいつの日かカーカポーの同様の治療法につながることを期待している。少なくとも、鳥の典型的な腸内環境が判明した今、カカポのウンチを日常的に分析すれば、保護管理者に病気の早期発見を促すことができるかもしれない、と彼女は言う。「侵襲的なサンプルを採取する代わりに、マイクロバイオーム・プロファイリングを使って、たとえ目に見える症状がなくても、その動物がいつ病気になるかを特定することができるのです」とウェストは言う。「そして、それは保護プログラムにとって大きな意味を持ち始めるのです。

この記事は、Scientific American 328, 1, 10-12 (January 2023) に "The Wild Microbiome" というタイトルで掲載されたものです。

doi:10.1038/scientificamerican0123-10

著者について
ケイト・エヴァンスは、ニュージーランドのラグランを拠点とする科学と自然のライターである。New Zealand Geographicに定期的に寄稿しているほか、Guardian、BBC、National Geographic、Washington Post、bioGraphic、Undarkなどに寄稿している。Twitterでフォローする @kate_g_evans