Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

細菌はしばしば、単独でさまよう放浪者、つまり環境の中を漂い、自ら分裂していく単一の細胞として想像されがちである。しかし、多くの細菌は、植物の根やクモの巣の糸に似た複雑なネットワークを形成し、広大で協力的なコミュニティとして生息している。その中には、土壌に生息するストレプトミセス類というグループがあり、これらはヒフェ（菌糸）と呼ばれる長く枝分かれしたフィラメントとして成長する。これらのフィラメントは互いに編み合わさり、栄養を求めて土壌を探索する生命のメッシュであるマルチセルラーなマイセリウム（菌糸体）を作り上げる。このネットワークが機能するためには、個々のフィラメントが成長を調整しなければならない。どこまで伸ばすべきか、いつ枝分かれすべきか、そして極めて重要なことに、どのようにすれば互いに衝突して、もつれた非効率な塊を作らずに済むのかを知る必要がある。この調整には、洗練された内部コミュニケーションシステム、つまり細胞が隣人を感知し、それに応じて自身の形や方向を調整する方法が必要である。

食料が乏しく不均一に分布している土壌において、マルチセルラーなネットワークを効率的に組織化する能力は、生存に関わる問題である。もしフィラメントが無秩序に成長すれば、互いに場所を奪い合い、エネルギーを浪費して地面を効果的に覆うことができなくなるだろう。科学者たちは、細菌が化学信号を用いて互いに会話することについては古くから知っていたが、フィラメントのネットワークが表面上で成長しながら、いかにして清潔で組織化された構造を維持できるのかという具体的なメカニズムは、これまで謎のままであった。近年の研究は、これらの細菌に見られる「Gタンパク質システム」として知られる独特な遺伝的ツールに注目している。これらは分子レベルのマシンであり、環境に応じて遺伝子のオン・オフを切り替えるスイッチのように機能する。特定の細菌であるストレプトミセス・ベネズエラエ（Streptomyces venezuelae）には8つの異なるバージョンのこれらのシステムが存在するが、これまでのところ、そのほとんどが具体的に何を、どのように行い、どのようにして複雑なマルチセルラーの住処を構築するのを助けているのかは解明されていなかった。

スウェーデンのルンド大学の研究チームは、これらの8つの遺伝的システムを一つずつ系統的に取り除き、細菌に何が起こるかを観察することで、このパズルを解こうと試みた。彼らは、栄養豊富なゲルから、実際の土壌を模した非常に貧弱で最小限の表面まで、さまざまな種類の餌を用いて変異細菌を培養した。その結果、これら2つの特定のシステムが連携して働くことで、細菌ネットワークの設計者として機能していることが判明した。研究者がこれら2つのシステムの両方を除去すると、細菌は自らを組織化する能力を失った。各フィラメントが独自のスペースを持つような、整然とした均一な層として広がる代わりに、変異した細菌は互いに固まり始めたのである。彼らのフィラメントは互いに付着し、繊細なウェブというよりも、もつれた毛糸玉のような太い縄状の束を形成した。

この固まり現象は、単に細菌が偶然くっついてしまったわけではなかった。研究者たちは、変異したフィラメントが直線的で硬い線を描いて成長する一方で、野生型の細菌は緩やかな曲線を描いて成長することを発見した。野生型の細菌は、周囲の空間へと入り込み、他のフィラメントの間にある空きスペースを埋めるように成長することで、周囲を避ける「自己回避」を行っているようであった。この自己回避によって、彼らは利用可能な食物をより効率的に探索することができた。しかし、これら2つの主要な遺伝的システムを欠いた変異体は、この能力を失っていた。彼らは真っ直ぐに成長し、近くにあるもの、すなわち他の変異したフィラメントや、共に育てた野生型のフィラメントにさえも付着した。研究者たちは、細菌が空気や水中に目に見えない化学物質を放出してこの付着を引き起こしているのかどうかをテストしたが、そのような信号の証拠は見つからなかった。むしろ、問題は変異した細胞自体に内在しているようであった。つまり、彼らの表面が変化し、粘着性を持ち、固まりやすくなっていたのである。

変異した細菌でどの遺伝子が活性化しているかを調べることで、科学者たちはなぜこのようなことが起きているのかを発見した。変異体は、細胞壁の構築や細胞外の糖質のコーティングの生成を担う大規模な遺伝子群のボリュームを上げていたのである。この表面材料の過剰生産が、おそらくフィラメントを粘着質にし、互いに付着させる原因となった。しかし、物語は微視的な固まり現象だけでは終わらなかった。研究者たちはまた、変異体がより大きなスケールでも異なる挙動を示すことにも気づいた。野生型の細菌は、皿の表面に薄く、禿げたような膜のように広がる「探索的成長」と呼ばれる行動をとるが、変異体はこれに失敗した。代わりに、彼らはまるで空中に向かって成長しようとしているかのような、密集した毛羽立ったコロニーを形成した。これは、適切な成長条件ではない場合でも同様であった。

なぜ変異体が探索に失敗しているのかを理解するために、研究者たちは、自発的に問題を解決した細菌を探した。彼らは、一部の変異細菌が、野生型のように再び広がることを可能にする新しい変異を獲得したことを見出した。これらの「抑制（サプレッサー）」細菌のDNAを分析したところ、その修正は、シクリックジGMP（cyclic-di-GMP）として知られる化学信号を制御する別の遺伝子セットの変化を伴っていることが分かった。この信号は、細菌に対していつ成長を止め、いつ胞子形成を開始するかを伝えるマスターレギュレーターである。研究者たちは、元の変異体は成長が速すぎ、成熟が早すぎると結論付けた。彼らは胞子形成へと急ぎすぎていたため、適切なネットワークを構築するために表面を広げて探索する時間を十分に取ることができなかったのである。取り除かれた2つの遺伝的システムは、ブレーキとして機能し、細菌を適切なネットワークを構築できるまで、栄養摂取状態（栄養体状態）で留めておく役割を果たしていた。

この研究は、これら2つの遺伝的システムが、驚くほど明確に分離された2つの異なる役割を持っていることを明らかにした。一つの役割は、フィラメントの物理的な形状を制御し、フィラメント同士の付着を防いで、ネットワークをオープンで組織的な状態に保つことである。もう一つの役割は、細菌が急速に成熟してしまうのを防ぎ、環境を十分に探索できるようにすることである。研究者たちは、成熟信号を変更することで探索の問題を解決できることを示したが、これは固まりの問題を解決するものではなかった。細菌がより長く成長できるようにしても、フィラメントは依然として互いに付着していた。これは、細菌が形状を作る方法と、いつ成長し、いつ成熟するかを決定する方法が、同じ一対の遺伝的システムによって管理されているものの、異なる経路によって制御されていることを意味している。

この研究は、単純な細菌がいかにしてマルチセルラーなコミュニティとして生きるという複雑な課題を管理しているのかについて、明確な全体像を提供している。それは、細菌が単に無作為に成長しているのではなく、環境を感知し、自身の形を調整し、隣人と調整するための特定の遺伝的ツールを使用していることを示している。これらのツールがなければ、ネットワークはもつれた塊へと崩壊し、コロニーは周囲の探索に失敗する。この知見は、清潔で組織化された構造を維持する能力が、食物を見つける能力と同じくらい、細菌の生存にとって重要であることを示唆している。これらのメカニズムを理解することで、科学者たちは、これら古来の生物がいかにして、複雑で競争の激しい土壌の世界で、これまで考えられていたよりもはるかに組織化された複雑なフィラメントの都市を築き上げ、繁栄してきたのかを理解し始めることができるのである。