海の底では、褐藻類と珪藻がフコイダンと呼ばれる複雑な炭水化物分子を生成し、フコイダンは藻類の保護外層の形成に役立ちます。フコイダン分子は、その化学構造が藻類の種ごとに異なる数十の異なる結合と分岐パターンを含む可能性があるため、微生物にとって分解するのが非常に困難です。この腐敗に対する耐性が、フコイダンが重要な理由の 1 つです。微生物がフコイダンを分解しようと奮闘すると、フコイダンは海の奥深くに沈み、炭素を一緒に取り込み、長期間貯蔵される可能性があります。これにより、フコイダンは海洋炭素循環において重要な役割を果たす可能性があります。

科学者たちは長年にわたり、フコイダンの断片を分解できる個々の細菌について知っていました。しかし、根本的な疑問は未解決のままだった。微生物群集がそれを完全に破壊することができるだろうか、もしできるとしたら、どのようにすればよいのだろうか？

元MITポスドクで現在チューリッヒ工科大学に在籍するアンドレアス・シチャート氏と、MIT土木・環境工学准教授のオットー・X・コルデロ氏が主導する、『Nature』誌に掲載された新しいオープンアクセス研究が答えを提供している。

「細菌は単独で仕事を完了することはできません」とコルデロ氏は言う。 「代わりに、フコイダンはチームワークを通じて分解されます。さまざまな細菌株が分子のさまざまな部分に特化しており、それらの共同作業により、単一の生物が単独で管理できるよりもはるかに効率的に仕事を行います。」

453ピースのパズル

フコイダンが自然界でどのように分解されるかを理解するために、研究チームは沿岸海水サンプルからフコイダンを分解する細菌群集を濃縮しました。彼らが発見したことは驚くべきことであった。それぞれがフコイダンに作用する酵素の生成に関与する453以上の異なる遺伝子が、研究者らが分離した8つの細菌株に広がっていたのだ。これらの菌株はいずれも、単独では分子を完全に破壊できませんでした。

しかし、研究者らが新しい高速質量分析法を使用したところ、細菌が砂糖の個々のブロックをどのように消費するかを観察することができ、明確なパターンが現れました。遺伝子の複雑さはすべて、2 つの役割に要約できます。一部の細菌株はフコイダンのフコースが豊富な「骨格」の分解に特化している一方、他の細菌株はキシロースやガラクトースなどのあまり一般的ではない糖を含む側枝の除去に特化しています。

両方の役割を果たす菌株を組み合わせると、驚くべきことが起こりました。分解は単純に相加的ではないということです。その代わりに、それは相乗的になり、細菌の個々の活動が予測できるものを超えました。菌株の糖嗜好性がより相補的であればあるほど、その効果はより強力になります。場合によっては、ペアのコミュニティが多糖複合体を完全に分解するところまで近づいた。

「海洋で最も豊富な炭素貯蔵量の一つの崩壊は、特定の系統間ではなく、機能的役割間の分業にかかっています」とコルデロ氏は言う。

複雑さを予測可能性に変える

最も驚くべき結果は、この分業によってシステムが、その根底にある複雑さが示すよりもはるかに予測しやすくなったということでした。

研究者らは、細菌の活動を 2 つの大きなカテゴリ、つまりフコースとフコイダン側鎖に含まれる希少糖に分類する単純なモデルを開発しました。彼らは、1 つまたは 3 つの細菌株のみを含む小さなコミュニティからのデータを使用してモデルをトレーニングしました。

簡略化されたモデルは、最大 7 つの菌株を含む群落における分解を予測することができ、その予測はまた、他のタイプの藻類とは構造的に異なる 9 つのフコイダンにも一般化されました。

「複雑なシステムを予測的に理解するには、その各部分の特徴を明らかにする必要はありません。適切な単純化を見つけることからもたらされます。」とコルデロ氏は付け加えます。この発見は、たとえそれらの正確な化学的性質や関与する酵素が部分的にしか理解されていない場合でも、科学者が他の複雑で炭素が豊富な生物材料が自然界でどの程度分解されるかを予測できることを示唆している。

研究者らはまた、自然の海洋から採取されたサンプル中に相補的な能力を持つ細菌が一緒に出現することが多いことも発見し、研究室で観察された分業が海洋でも役割を果たしている可能性があることを示唆している。

その影響は微生物学の分野をはるかに超えています。

研究者らは、「多様性制限分解」と呼ぶ概念を提案している。この概念では、補完的な細菌専門家の適切な組み合わせが存在しないため、フコイダンは分解されずに長く存続することができるという。この概念は、藻類の炭素の一部が長期間海洋に残り、炭素の長期貯蔵に寄与する理由を説明するのに役立つ可能性があります。

バイオテクノロジーの場合、結論はより単純です。硬くて複雑なバイオマスを消化できる単一の「スーパーバグ」を設計する代わりに、より有望なアプローチは、すでに補完的なタスクに特化した微生物のチームを編成することかもしれません。この装置は、褐藻バイオマスやその他の複雑な多糖類を大規模に処理するために使用できる可能性があります。

将来を見据えて

しかし、より広範な期待は分子ではなくアプローチにあるかもしれない。特徴づけられていない何百もの酵素を 2 つの測定可能な特性に還元できれば、同じ戦略がこれまで化学が説明できなかった他の生体高分子にも、より一般的には微生物群集が何をしているかを予測するためにも機能する可能性があります。

「これは、まだ完全には説明できない分子に作用する何百もの酵素を含むシステムでしたが、誰もが予想していたよりもはるかに扱いやすいことが判明しました」とコルデロ氏は言います。 「私たちが発見したのは、個々の酵素の上に形質に対応する組織化のレベルがあり、それを測定して、（ゲノム）構成から機能を予測する単純なモデルに結び付けることができるということです。生物学が手に負えないように見えるとき、それは私たちがまだ適切なレベルの説明を見つけていないのかもしれません。」

この作品が残した疑問は根本的なものである。フコイダンは豊富に存在し、古くから存在しているのに、なぜフコイダンを丸ごと食べるバクテリアが進化しなかったのでしょうか?研究者らは、糖代謝そのものに対する制約と、補完的な専門家が一つに融合するのではなく継続的に再生する進化のダイナミクスという、2つのレベルの答えを示唆している。

「実際、これは地球上で生命がどのように組織されているかについての問題です」とコルデロは言う。 「地球の元素周期を動かす生化学的機能は、なぜ少数の生物に集中するのではなく、多くの生物に分散しているのでしょうか？それを説明することは、生命科学の最前線の一つだと私は思います。」

研究チームには、コルデロ氏とシチャート氏に加えて、チューリッヒ工科大学、ウィーン大学、タタ基礎研究所の共著者も含まれていた。

この研究は、PRIME (Principles of Microbial Ecosystems) コラボレーションを通じて、サイモンズ財団によって支援されました。