Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

食品科学の世界において、最も重要な仕事の一部は、細菌という目に見えない領域で行われています。ゴーダやチェダーのような伝統的なチーズを作る際、生産者はスターターカルチャー（種菌）に頼っています。これは、ミルクを固形のチーズに変え、その独特の風味を生み出す微小な生物の混合物です。1世紀以上にわたり、これらのカルチャーは、中にある細菌の正確な混合物が完全には知られていない、あるいは制御されていない「未定義」のスターターを使用するという慣習のもと、バッチごとに生存させられ、受け継がれてきました。科学者たちは、こうした混合物が見た目よりもはるかに複雑であり、チーズの安全と美味しさを維持するために協力し合う、膨大な数の異なる細菌株を隠し持っているのではないかと以前から疑っていました。この隠された多様性を理解することは、細菌に感染するウイルス（ファージとして知られる）による攻撃に対するチーズの耐性を決定づけるため、極めて重要です。ファージは生産の全バッチを台無しにする可能性があります。

研究チームは、特定のデンマークのスターターカルチャーである「ティストルップ（Tistrup）」の中に隠された世界をマッピングしようと試みました。これは100年以上使用されているものです。彼らは、ラボのシャーレで細菌を育てて数を数えるだけでは不十分であることを知っていました。なぜなら、多くの菌株が見逃されたり、見落とされたりする可能性があるからです。そこで彼らは、2つの強力な手法を組み合わせました。一つは、ラボで個々の細菌株の膨大なコレクションを育てること、もう一つは、何も育てずにカルチャーから直接、混合物全体の遺伝コードを読み取ることです。ラボで見つけたものと、生の混合物から見つけたものを比較することで、彼らはそのコミュニティが、どちらの手法単独でも明らかにできるものよりもはるかに複雑であることを発見しました。この研究は、表面上は単純に見える細菌のグループであっても、その中にはコミュニティが生存し繁栄することを可能にする深い遺伝的多様性の層が存在することを示しています。

研究者たちはまず、数種類の細菌、主にLactococcus cremorisとLactococcus lactisによって支配されているティストルップ・カルチャーの調査から始めました。種数が非常に少ないため、個々の細菌間の遺伝的な違いは小さいと予想されていました。しかし、ラボで育てた111の異なる細菌株のDNAを配列決定し、それらを混合物全体の遺伝データと比較したところ、隠された複雑さが驚くほど多いことが判明しました。これら2つの手法は、同じ細菌について一致しただけでなく、それぞれ異なる部分の集団を見つけ出しました。ラボで育てられた菌株は、カルチャー内に存在する多様性のほんの一部を代表しているに過ぎず、一方で混合物の直接的な遺伝子読み取りは、ラボの手法では完全に見落とされた多くの系統を明らかにしました。

最も衝撃的な発見の一つは、これらの細菌の細胞壁に関するものでした。細菌の外表面は、ウイルスが細胞に侵入し感染するための特定の鍵穴として機能する、細胞壁多糖類と呼ばれる糖のコーティングで覆われています。研究者たちは、このカルチャーにおいて最も一般的なタイプの糖コーティング（集団の約30%を占めるもの）が、ラボで育てた細菌には完全に欠落していることを発見しました。これは、最も豊富な細菌が、科学者が育てることができなかった細菌であったことを意味します。つまり、コミュニティの主要な部分が伝統的な手法では目に見えない状態であったということです。ラボで育てられた細菌は、主に異なる、より一般的ではないバージョンの糖コーティングを持っており、これはラボでの培養条件が特定の、支配的ではないグループを優先させたことを示唆しています。

細胞壁のほかに、研究者たちは細菌がウイルスに対して防御するのに役立つ他の遺伝的特徴についても調査しました。彼らは、細菌のDNAの中に隠れているプロファージと呼ばれるウイルスと、細菌が攻撃を防ぐために用いる様々な防御システムを調べました。その結果、これらの防御ツールは、無数の組み合わせでミックスされ、入れ替わっていることが分かりました。核となる遺伝コードがほぼ同一に見える細菌であっても、異なる防御システムや隠れたウイルスを保持していました。この多様性はコミュニティの盾として機能します。あるタイプの細菌がウイルスに攻撃を受けたとしても、異なる防御手段を持つ他の細菌が生き残り、チーズ製造のプロセスを継続させることができるのです。研究は、この防御の多様性が、単にラボで育てられた菌株を見るだけでは分からないレベルであることを示しました。

チームはまた、細菌同士で交換できることができる、プラスミドと呼ばれる小さなDNAのループである可動性遺伝要素についても調査しました。これらのプラスミドは、ミルクの糖を消化したりタンパク質を分解したりするために必要なものなど、チーズ作りにおいて不可果欠な遺伝子を運ぶことがよくあります。研究者たちは、これらのプラスミドも非常に多様であり、異なる菌株によって異なる組み合わせで保持されていることを発見しました。DNA上の化学的マーカーを読み取る特殊な技術を用いることで、彼らは多くのプラスミドを、それを運んでいる特定の細菌に結びつけることができました。これは、ラボで育てられていない細菌であっても、同じプラスミドが異なる種の間で見つかり、それらの間で移動し、重要な特性をコミュニティ全体に広めていることを可能にしました。

この研究は、この乳製品スターターの複雑さは、単に多くの異なる種が存在することではなく、わずか数種の間に存在する膨大な数の異なる遺伝的組み合わせにあると結論付けています。研究者たちは、ラボで細菌を育てる方法であれ、混合物のDNAを直接読み取る方法であれ、単一の手法では全容を捉えることはできないことを発見しました。ラボの手法は最も豊富な菌株を見逃し、一方で直接的なDNA読み取りは、どの特定の菌株がどの遺伝子を持っているかを必ずしも特定できませんでした。両方のアプローチを組み合わせることによってのみ、彼らは多様性の真の広がりを見始めることができたのです。細胞壁、防御システム、そして可動性DNAを含むこの隠された多様性は、コミュニティにウイルス攻撃に対する強固な耐性と、チーズの品質を維持する能力を与えています。これらの知見は、伝統的なスターターの回復力が、科学者が複数のレンズを通してコミュニティを見ようとしない限り、大部分が隠されたままとなる、深い組み合わせの多様性から来ていることを示唆しています。