The cost-benefit trade-off of peritrichous flagellation in bacteria
本研究は、*Salmonella enterica*における周毛性鞭毛の生合成コストと運動能による利益との間のトレードオフを定量化しており、鞭毛の存在量の増加が構造化された環境におけるナビゲーション能力と競争的適応度を高める一方で、増大するエネルギー負担に対する収穫逓減とのバランスを取るために、最適な中間的な投資量（プロテオーム質量の約3%）が好まれることを示している。
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細菌はしばしば単純で孤独な放浪者として想像されがちだが、その多くは鞭毛と呼ばれる、回転する小さなプロペラを備えている。これらの構造により、細胞は液体環境の中を泳ぎ、食物を探したり危害を避けたりすることができる。しかし、これら微小なエンジンの構築と運用には、決して無料ではない。それは細胞のエネルギーと原材料の大部分を要求するのである。ここには根本的な生物学的パズルが生じる。すなわち、細菌はいくつのプロペラを作るべきか、という問いである。少なすぎれば、効果的に移動することに苦労し、多すぎれば、その建設コストによって成長や繁殖の能力が低下してしまう可能性がある。このバランスを理解することは極めて重要である。なぜなら、それは生命がいかにして複雑で変化する世界を生き抜くために、資源を最適化しているかを明らかにしているからである。
科学者たちは最近、典型的な細菌であるSalmonella enterica（サルモネラ・エンテリカ）に注目した。この細菌は通常、その表面全体に多数の鞭毛を備えている。彼らは、これらプロペラの数が細胞の成長と移動にどのように影響するかを正確に測定したいと考えた。そのために、研究者たちは、鞭毛遺伝子をオンにするマスタースイッチの生成を制御できる一連の改変株を作成した。このスイッチを調整することで、鞭毛がほとんどないものから、過剰な数の鞭毛に覆われたものまで、幅広い細菌を作り出した。これにより、細胞がこれらの遊泳道具を構築するために、内部資源をより多く、あるいはより少なく投資する場合に何が起こるのかを観察することが可能となった。
結果は明確なトレードオフを示した。細菌がより多くの鞭毛を構築するにつれて、その成長速度は低下した。細胞は、タンパク質を作るための工場であるリボソームの構築から、タンパク質を作るための機械の大部分を転用し、代わりに鞭毛の構築へと回さなければならなかったのだ。研究者たちは、このプロセスの最も高価な部分は、モーターの回転ではなく、鞭毛そのものの実際の作成であることを突き止めた。鞭毛のタンパク質の構成要素を合成するために必要なエネルギーがコストの大部分を占めており、一方で、それらを回転させ続けるために必要なエネルギーが加える負担はわずかなものに過ぎなかった。
この重い代償にもかかわらず、より多くの鞭毛を持つことは、特定の状況において実質的な利点をもたらした。より多くの鞭毛を持つ細菌は、より速く移動し、柔らかいゲル状の表面をより効果的に広がり、化学的な勾配をより効率的にナビゲートした。空間や資源が構造化され、不均一な環境においては、これらの高い運動性を持つ細菌は、運動性の低い対抗馬を圧倒した。しかし、その恩恵が永遠に増大し続けることはなかった。研究者たちが、変化する化学的な景観の中を細菌がどのようにナビゲートするかをコンピュータシミュレーションを用いてモデル化したところ、鞭毛が細胞の全タンパク質質量の約3%を占めるようになると、運動性の利点は横ばいになり始めることが分かった。この点を超えると、より多くの鞭毛を構築するために費やされる追加のエネルギーが、移動における収益の減少を上回ってしまうのである。
この研究は、理想的な鞭毛の数は最大値ではなく、移動の必要性と成長の必要性のバランスをとる中間量であるという、定量的モデルを支持している。細菌がしばしば生息する複雑で斑（まだら）な環境において、自然選択は、最大限の運動性を目指すのではなく、そこでの踏みとどまる戦略を支持しているようである。むしろ、ナビゲーションにおける利点と建設コストが完璧に一致する特定の投資レベルに落ち着き、生物が効率的かつ競争力を維持できるようにしているのである。
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