科学者たちは、コレラ菌の二つの群れが毒を持つ銛のような突起で互いを刺し、被害を受けた細菌を水風船のように破裂させる様子を観察した。
この知見は、いずれ感染症と闘う新たな標的治療につながる可能性がある。ただし、その場合、争う細菌は感染を引き起こす側ではなく、治療手段となる。
人間に害を及ぼさないよう特別に設計された暗殺細菌を使えば、健康を保つ膨大な数の微生物を残したまま、有害な細菌を殺せるかもしれない。対照的に、現在使われている抗生物質は、有害な細菌も有益な細菌も同様に根絶する。
「人間の腸内にいる有害な細菌を標的にできれば、設計した細菌を生きた抗生物質として使えるかもしれません」と、ジョージア工科大学生物科学部の准教授、ブライアン・ハマー氏は言う。ただし、「現時点では、そこにはほど遠い」と注意を促す。
細菌を医療や産業に活用するため、あるいは細菌がどのように繁殖し広がるのかをより深く理解するためには、時間の経過に伴う細菌の行動の一貫性を見極めることが役立つ。そこで数学が登場する。
研究者たちは、原子や分子の相互作用を正確に記述するために開発された既存の物理学の方程式を細菌に適用した。その計算によって、戦場で出会った二つのコレラ菌の群れが、油と水のように互いに分離して相に分かれることも正確に予測できると分かった。
「相分離がいつ起きるかをモデルはほぼ正確に予測し、数学が示したとおりに起きるのを観察できました」とハマー氏は言う。この予測モデルは、「モデルA」と呼ばれる方程式に基づいていた。
「経験的には、相分離を起こす金属を記述するために使われてきました」とハマー氏は言う。「私たちの結果を表すために観察した曲線の種類が、生物システムの記述に使われたことは、それまでありませんでした。」
ハマー氏は、生物学者で助教のウィル・ラトクリフ氏、准教授のサミュエル・ブラウン氏とともに、ジョージア工科大学物理学部の助教、ピーター・ヤンカー氏と研究に取り組んだ。研究成果は学術誌Nature Communicationsに掲載された。
カニの殻に付着するコレラ菌
コレラ菌は水中でよく見つかり、他の微生物とともにカニや小さなオキアミの殻に付着している。その水を飲んだ人は、菌が引き起こす激しい嘔吐や下痢によって数時間以内に命を落とすこともある。コレラ菌同士の争いを数学で研究するきっかけとなったのは、銛の機能を作動させるキチンという物質を含むカニの殻の上で、彼らが縄張り争いをする様子だった。キチンがなければ、刺すこともない。Vibrio cholerae。キチンがなければ、刺すこともない。
「私はこの驚くべき生物システムを研究していて、可視化する方法を探していました」とハマー氏は言う。ラトクリフ氏とヤンカー氏は、酵母の進化の動態を研究するために顕微鏡観察と数学を活用しており、ハマー氏にこの方法を試すよう勧めた。
しかし、数学そのものに入る前に、Vibrio choleraeについていくつか理解しておくことが重要だ。まず、コレラ菌は銛を使って競合する細菌を殺すのであって、人間の細胞を破壊するのではないと、ほとんどの微生物学者は考えている。
この毒性兵器はVI型分泌装置（T6SS）と呼ばれ、広く見られる。「この銛のシステムは、グラム陰性菌のおよそ4分の1に備わっています」とハマー氏は言う。「つまり、こうした細菌の決闘は、あなたの周りのあらゆるところで起きているのです。」
グラム陰性菌は細胞壁が薄く、より簡単に突き刺される。グラム陽性菌の細胞壁はより厚く、銛の影響を受けにくい。人間の細胞はさらに貫通しにくい可能性がある。
そして、この刺す仕組みはコレラのような病原菌に限らない。害のない細菌の多くもこれを使う。しかし、有害な細菌は害のない細菌よりも科学研究の対象となることが多いため、病原菌におけるこの仕組みのほうがよく知られているとハマー氏は言う。
殺し合い、分かち合う細菌
銛を持つコレラ菌は、互いを含め、接触するすべての細菌を無差別に刺すが、Vibrio choleraeは同じ菌株同士なら互いの刺突に免疫がある。そのため、敵は殺しても、同じ仲間は殺さない。
殺すことは、協力的な社会行動と密接に結び付いているようだ。研究者たちは、集団で殺すのが得意な細菌は、互いに分かち合い、共同体を築くことにも長けていると発見した。
まず、共有の食料を作り出すことから始まる。「細菌は細胞の外で消化することが多いのです」とハマー氏は言う。しかし、食料が周囲にある状態は危険を伴う。
「食べ物をかみ砕いて消化するための労力が、よそから来て奪う誰かではなく、自分や親族の利益になるようにする戦略が必要です。」ある菌株が侵入者を殺すと、労力の成果を守り、増殖して遺伝子を次世代に伝える。
ブラウン氏の博士研究員、ルーク・マクナリー氏は、毒を持つ銛を使うさまざまな細菌（コレラ菌以外も含む）のゲノムを調べた。銛を6本または7本持つ菌株もあり、銛の中には複数の毒を持つものもあった。また、武器と協力行動には相関関係があるようだった。
「ゲノム内に持つ武器が多い細菌株ほど、分かち合う傾向が強いようだと分かりました」とハマー氏は言う。
「サラダドレッシング・モデル」
顕微鏡で見ると、争う細菌株は、平らな面で分離していく油と水の粒のようにも見えた。見分けられるよう、赤と青の二色に染色されていた。
「よく混ざった二つの菌株から始めます」とハマー氏は言う。「油と水を振るとよく混ざり、置いておくと相分離するので、冗談で『サラダドレッシング・モデル』と呼んでいます。」
よく混ざっているとき、二つのコレラ菌株は一つの紫色の塊に見える。しかし、互いを殺し、それぞれの縄張りを奪うにつれて、赤と青の斑点に分かれる。
化学システムと生物システムの働きには大きな違いがある。たとえば、細菌は繁殖して増えるが、分子はそうしない。それでも、物質を説明するために機能した基本的な数学は、細菌にも当てはまった。
「腸内には、有益なグラム陽性菌がたくさんいます」とハマー氏は言う。「しかし、腸内の共同体を乱すグラム陰性菌が少数いるかもしれません。槍を備えるよう設計した細菌で、そうしたグラム陰性菌だけを排除できる可能性があります。」
また、コレラ菌の銛の機能を作動させるキチンのような外部物質を暗殺細菌とともに与えれば、武器を起動させ、キチンがなくなった時点で停止させることもできる。
資金は、米国国立科学財団、NASAの宇宙生物学プログラム、ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団、ウェルカム・トラスト、ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラムから提供された。
