マイクロバイオーム オリジン・ストーリー

ASMA 米国微生物学会


マイクロバイオーム オリジン・ストーリー

https://asm.org/Articles/2019/March/Microbiomes-An-Origin-Story

2019年3月8日（木

マイクロバイオームに関する現在の議論は、マイクロバイオームという概念が比較的最近の発見であると思わせるかもしれません。しかし、新しく医学的な注目度が高いにもかかわらず、実はこの概念のルーツは、微生物生態学の初期にあるのです。一般的には、ノーベル賞受賞者で微生物学者のジョシュア・レダーバーグが2001年に初めて「マイクロバイオーム」という言葉を作ったという説が有力です。このため、「マイクロバイオーム」という言葉がいつ、どのように使われるのが適切なのか、議論が続いている。

外遊びをした子どもの手から採取した微生物。
外遊びをした子供の手から採取された微生物は、私たちの体内、体内、そして周囲の微生物の世界と密接に関係していることを物語っています。
出典 Tasha Sturm at Cabrillo College via ASM's MicrobeWorld.

マイクロビオームという言葉は「オミックス」用語に由来するため、微生物種のゲノムの集合体を表すのに使われるべきで、生物の集合体そのものは「マイクロビオータ」と呼ぶべきだという主張もある。この主張は合理的に聞こえますが、実はマイクロバイオームという言葉は、「オミックス」の命名法から派生したものではありません。もっと古い使い方もある。例えば、1988年にウィップスらは、微生物の集まりと、与えられた環境下でのその活動を表すためにマイクロバイオームという言葉を使った。彼らはこう述べている。

「生物防除システムを検討するのに便利な生態学的枠組みは、マイクロバイオームである。これは、明確な生理化学的特性を持つ、ある程度明確に定義された生息域を占める特徴的な微生物群として定義することができる。したがって、この用語は、関与する微生物を指すだけでなく、その活動領域も包含している。(Whipp, et al., 1988. 生物学的制御システムにおける菌類。マンチェスター大学出版)

実際、「マイクロバイオーム」は微生物（microbe）と生物群（biome）の合成語で、ゲノムだけでなく、微生物の生態系や生息する生物などすべてを表現しています。この用語は私たちの科学用語としては比較的新しいものですが、マイクロバイオーム研究の基本概念と重要性は、微生物生態学の始まりと1800年代のセルゲイ・ウィノグラドスキーまで遡ることができます。

微生物生態学の父、セルゲイ・ニコライエヴィチ・ヴィノグラツキー。
微生物生態学の父、セルゲイ・ニコライエヴィチ・ヴィノグラツキー（1856-1953）。
出典：https://bit.ly/34PmZTX

セルゲイ・ウィノグラツキーは、1856年、ロシアが支配するキエフに生まれた。若い頃は成績優秀で、学業成績で金メダルをもらったこともある。しかし、大学時代には好奇心が満たされず苦労した。法律やピアノを勉強した後、ようやく科学研究の道に進む決心をしたのである。彼はまず、ロシアの植物学者アンドレイ・ファミンツィンの研究室で、当時はテンサイの疫病として、また今日ではワインの腐敗の原因として知られているミコデルマ・ビニ（Mycoderma vini）の研究を始めた。その後、ドイツの植物学者アントン・デバリーの指導のもと、ウィノグラツキーはベギアトアの成長と代謝を研究した。

当時、この糸状菌については、自然環境の硫黄泉にいると硫黄顆粒を蓄積すること以外、あまり知られていなかった。Winogradskyは、ベギトアナが硫化水素（H2S）を酸化して顆粒を形成すること、そして自然界ではO2とH2Sの両方が共存する狭い領域に移動して酸化することを突き止めたのである。これらの研究から、ウィノグラツキーは、H2Sなどの無機化合物の酸化からエネルギーを得る能力である化学石器栄養の基本的な理解を形成した。さらに、光や化学エネルギーを使って無機物から食料を生産する「自家増殖」についても理解を深めた。この研究から、硫黄や窒素の循環（環境と生物の間でこれらの元素が移動する過程）の概念が生まれました。

1888年から1891年にかけてチューリッヒのスイス工科大学に留学したウィノグラツキは、窒素循環における微生物の関与、特に硝化（アンモニアが亜硝酸塩に酸化されて硝酸塩になること）の段階を解明しようと試みました。その後、1891年から1905年まで、サンクトペテルブルクの帝国国立実験医学研究所で一般微生物学部長として、この研究を継続した。彼は、硝化は1つの微生物によって1段階で起こるという誤った思い込みから、多くの試行錯誤を経て、2段階の硝化と窒素固定（大気中の窒素をアンモニアなどの有機化合物に同化する過程）の微妙なバランスを明らかにした。ウィノグラツキーは、自然の土壌条件を模倣して、酸素を必要とする好気性硝化菌が、嫌気性窒素固定菌であるクロストリジウム・パストゥリアヌムが増殖して窒素を固定できるレベルまで酸素濃度を低下させることを観察しました。この発見は、微生物が隣人の活動によってできたニッチを占拠し、ある代謝経路の産物を別の代謝経路の基質として利用するという、微生物の相互関係を強調するものであった。

このことから、ウィノグラッ ドスキーは、微生物を自然の文脈の中で研究する必要性を説いたのである。このように、水生、陸生、大気中、宿主、あるいはそれらの混合物など、あらゆる環境の中で微生物同士が相互作用する様子を研究する方法として、微生物生態学が確立されたのである。

共存する微生物が相互に関連して増殖する様子を表したWinogradskyコラム。
共存する微生物が相互に関連して増殖している様子を表したWinogradsky Column（ウィノグラツキー・コラム）。色彩の違いは、それぞれ異なる微生物の増殖と化学反応によるものです。ウィノグラツキー・コラムの作り方は、以下のリンクからご覧いただけます。
出典 Mikrobiologie Praktikum Universität Kassel März 2007.
このような理解から生まれたのが、悪名高いウィノグラツキーコラムという培養器具である。ウィノグラツキーコラムは、その魅力的な色の変化や微生物生態学者にとって歴史的な意義から、微生物生態学者のオフィスを飾ることもありますが、この装置は、望ましい形質を持つ環境微生物の分離や、人間活動が異なる生態系に与える影響を調査しながら微生物群について学生に教えるために、今でも使われています。マイクロバイオーム研究もまた、この基本的な生態学的概念を利用しており、これまでの微生物集団や微生物環境に関する研究の多くが、マイクロバイオーム研究として生まれ変わりつつあります。

なぜ、この原点が重要なのでしょうか。まず、マイクロバイオーム研究の本当の歴史を知ることは重要です。なぜなら、マイクロバイオームに関連する問題に取り組むために、長年にわたって開発されてきた多くの統計技術や実験手法に研究者を導いてくれるからです。ウィノグラッドスキーが正確に指摘しているように、連続培養中の微生物は、自然の生息環境とは異なる挙動を示す。1949年の論文で、彼はこう述べている。

「人工的な環境における純粋培養の状態は、自然環境におけるそれに決して匹敵しない。...いかなる生物競合からも保護され、贅沢な餌を与えられて培養された微生物が、ホットハウス培養となり、特別な研究なしにその原型を特定することができない新しい種に短期間のうちに誘導されるという概念に異議を唱えることはできない」(Winogradsky, 1949) (ウィノグラッドスキー、1949年)

微生物は実験室と本来の生息地では異なる行動をとるため、生息地で何が起こっているのか、あるいは問題の患者においてさえ、研究者の理解には限界がある。微生物生態学は、自然環境で微生物を直接研究し、制御された研究で自然条件を再現し、実験室で継続的に増殖させるのではなく、環境から分離したばかりの培養物を扱うことで、情報収集におけるこの課題に取り組んできた長い歴史がある。ヒトの宿主やその他の場所における微生物集団にアプローチする新しい研究は、これまでの研究成果から恩恵を受けることができます。

微生物学の中でも、一見離れているように見えるこれらの分野に共通するものを認識することが重要です。地球を、ガス交換、エネルギー貯蔵の分解と蓄積、古い成分の除去と新しい成分への再利用のシステムを持つ患者として捉えれば、これらのプロセスを研究する環境微生物学と微生物生態学は、地球の解剖学と生理学の研究に相当する医学的なものなのです。

最終的には、この知識をもとに、地球の健康を維持・増進するための戦略を立てることができるのです。人体の解剖学や生理学を理解していない医師のもとには行きたくないでしょうし、病気の治療で未検査のものを受けることもないでしょう。地球環境についても同様で、システムの仕組みを理解することで、効果的に「治療」「処置」「予防」を行うことができるのです。

マイクロバイオーム研究の最もエキサイティングな成果のひとつは、医学と環境・生態学の両極にある微生物学の結びつきを強めることで、両方のツールとコラボレーションを強化し、すべての人にとってよりよい理解につながることです。

参考文献

Dworkin, Martin. 2012. Sergei Winogradsky: a Founder of Modern Microbiology and the First Microbial Ecologist. FEMS Microbiology Reviews. 36: 364-379.

プレスコット，スーザン．2017. 医学の歴史: マイクロバイオームという用語の起源とそれが重要な理由。ヒューマン・マイクロバイオーム・ジャーナル。4: 24-25.

チミレスキー，スコット．2018. 巨大なWinogradskyコラムの作り方。スモール・シングス・コンサバイド.

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RESEARCHER

記事

生態系、進化、生物多様性
著者 ジャネット・ゴインズ Ph.D.
ジャネット・ゴインズ博士（Janet Goins, Ph.D.
UCLA大学学部研究センター副所長。STEM関連のキャリアを目指す学部生に研究経験を提供。
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