Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

極小の単細胞生物から複雑な動物に至るまで、ほとんどの生物は内的な時間の感覚を備えています。この生物時計により、生物は環境の変化（昇る太陽や夜の気温の下落など）に対して、それが起きた後に反応するのではなく、予測して備えることができます。人間や他の動物において、これらの時計は睡眠、代謝、免疫機能を調整し、相反する活動が同時に起こらないようにしています。数十年の間、科学者たちは、こうした時間を刻む能力は、複雑な神経系を持つ生物や、植物や特定の光合成を行う細菌のように日光を利用するものに限られていると考えてきました。非光合成細菌は微生物界のかなりの部分を占めていますが、一般にはこのような内的なタイミング機構を持たず、単純に反応のみに基づいて動いていると考えられてきました。

研究チームは現在、この仮定が間違っていることを発見しました。彼らは、ヒトの腸内に多く存在する一般的な細菌である大腸菌（Escherichia coli）が、本質的に時間を刻む能力を持っていることを見出したのです。この細菌は単に周囲に反応しているだけではありません。日々のリズムを学習することができ、外部からの手がかりが取り除かれた後でもそのリズムに従い続けることができます。研究によれば、これらの細菌は特定の内部シグナル伝達システムを使用して時間の経過を追跡しており、それによって温度変化が起こる前に、一日の温度変化に向けて準備することができます。この発見は、未来を予見する能力が、これまで想像されていたよりもはるかに広く微生物の世界に浸透していることを示唆しており、「時間を刻むことはより複雑な生命体に特有の性質である」という長年の見解に疑問を投げかけるものです。

研究者たちはまず、制御された環境下で大腸菌がどのように振る舞うかを観察することから調査を開始しました。彼らは、赤色の染料を含む特殊なゲル上で、薄い円形のコロニーとして細菌を培養しました。この染料は、細菌が表面への付着を助け、バイオフィルムと呼ばれる保護的なコミュニティを形成するために生成する「カーリ（curli）」という粘着性物質と結合します。科学者たちは、カーリの生成が温度に敏感であることを知っていたため、12時間ごとに温度を変化させ、昼夜のサイクルを模倣した、摂氏25.5度の低温と28.5度のやや高温の間を循環するインキュベーターの中に細菌コロニーを置きました。

細菌がプレートの中心から外側に向かって成長するにつれ、彼らの活動の目に見える記録が残されました。細菌がカーリを生産すると、赤い染料がその領域を染色し、暗い輪を作り出します。逆に、カーリの生産を停止すると、その輪は透明なままとなります。もし細菌が単に温度に反応しているだけであれば、暗い輪は温度が変わった瞬間に現れるはずです。しかし、研究者たちが観察したのは異なる現象でした。数日間を経て、細菌は行動を変え始めました。予定されている温度上昇の約6時間前に、粘着性のカーリを生産し始めたのです。この「反応」から「予期」への転換こそが、真の生物時計の特徴です。細菌は自らの内部のリズムを外部の温度サイクルと同調させ、事実上、スケジュールを学習していたのです。

このリズムが環境に対する連続的な反応ではなく、内的なものであることを証明するために、科学者たちは重要なテストを行いました。3日間の温度サイクルを経た後、彼らは一定で変化のない温度条件下で細菌を放置しました。もし細菌が単に熱に反応しているのであれば、リングのパターンは直ちに止まるはずです。ところが、細菌は少なくともその後3日間は、リズムを持ったパターンで粘着性物質を生産し続けました。外部の世界が無音になったにもかかわらず、彼らは約24時間の一定の拍子を維持していました。この「フリーラン・リズム」と呼ばれる現象は、細菌が以前の温度変化によって設定された、内的なタイマーによって動いていたことを裏付けました。

次に、チームは細菌がいかにして「表面への付着」と「移動」という二つの相反する行動を調整しているのかを調査しました。細菌は好ましい条件に向かって泳ぐために鞭のような尾を持つ「鞭毛（flagella）」を使用しますが、安定したコミュニティを形成するためには、泳ぐのを止めて粘着性の表面を作る必要があります。これら二つの活動は互いに排他的であり、細菌は両方を同時に行うことはできません。研究者たちは、細菌がこれらのタスクを時間的に分離していることを発見しました。細菌が接着のためにカーリの生産に最も活発なとき、泳ぐための鞭毛を構築する遺伝子は静まり返っています。逆に、泳ぐ準備をしているときには、粘着性物質の生産は停止します。この分離により、細菌は複数の相反するタスクを同時に実行しようとしてエネルギーを無駄にすることを防いでいるのです。これは、人間が夜に眠り、昼に活動するという戦略に似ています。

この時計の背後にあるメカニズムを理解するために、研究者たちは遺伝学へと目を向けました。彼らは、細胞の外縁から中心部へ化学信号を伝えるリレーレースのような役割を果たす、RCSホスホリレー（Rcs phosphorelay）と呼ばれる特定の通信システムに着目しました。このシステムの構成要素の一部を破壊した細菌を作成することで、科学者たちは、RCS経路が時計を機能させるために不可欠であることを突き止めました。このリレーの一部の部品がない場合、細菌は温度変化を感じ取ることはできますが、温度が一定になったときにリズムを維持する能力を失ってしまうことが分かりました。これは、タイミングの仕組み自体がこのシグナリング経路内に存在していることを示しています。

また、研究では、細菌がどのように初期の信号を受け取って時計を設定しているのかについても探求されました。彼らはBluFRと呼ばれる別のシステムを特定しましたが、これは青色光と低温の両方のセンサーとして機能します。このセンサーは情報をRCSリレーに送り込みます。研究者は、BluFRシステムが環境の変化を追跡するものの、それ自体でリズムを保持するわけではないことを明らかにしました。代わりに、それは内部のRCSクロックを同期させるための「入力装置」として機能していました。驚くべきことに、科学者たちは、光のみを用いて細菌の時計をリセットできることを実証しました。細菌を青色光と暗闇のサイクルにさらすことで、温度と同様に、光を時間の手がかりとして用いて同じ周期的な粘着性物質の生産を引き出すことができることを示したのです。

最後に、研究者たちは、細菌のタイミングシステムの構造を、光合成を行う細菌で見られる有名な時計と比較しました。（光合成を行う細菌は、定義された分子時計を持つ唯一の他の細菌であることが知られています。）遺伝的な歴史を共有していないにもかかわらず、大腸菌のタイミングシステムに含まれるタンパク質の三次元的な形状は、光合成時計のタンパク質と酷似していました。どちらのシステムも、一連の化学的スイッチと構造ドメインを使用して情報を処理し、リズムを生み出します。このことは、自然界が、日常の変化を予測するという問題を解決するために、同様の建築学的原理を用いながら、異なる方法で時間を刻むための同一の解決策に到達した可能性を示唆しています。

この発見は、私たちの細菌に対する理解を再構築するものです。これにより、大腸菌のような単純な生物であっても、スケジュールを学び、それを記憶し、先んじて行動できることが明らかになりました。環境の変化を予見する能力は生存上の利点をもたらすと考えられ、事態が発生する前に課題に備えることを可能にします。研究者たちは、時間を刻んでいる責任を負う特定の遺伝子とタンパク質を特定することで、細菌がどのように行動を調整するかを理解するための新たな扉を開きました。この知識は、将来的に細菌が環境にどのように反応するかを予測することに役立ち、医学や産業における細菌の増殖管理に関する新しい手法につながる可能性があります。この研究は、時間を刻む能力が、私たちが日々目にしている複雑な生物をはるかに超えて広がっており、生命界における基本的かつ普遍的な特性であることを裏付けています。