細菌の胞子は極限の環境条件でも生き残り、一見生命のない状態では外界を認識していないようです。それにもかかわらず、それらは環境のプラスの刺激を感知し、好条件下では短時間内に再び発芽することができます。研究は、これがどのように可能であるかを示しています。これによると、細菌の胞子は、発芽を引き起こす閾値に達するまで、繰り返しの正の刺激に応答してゆっくりと減衰する、保存された電気化学ポテンシャルを使用します。この受動的メカニズムにより、一見生命のない生物でも、環境からの関連する情報を処理することができます。
飢えやストレスに直面すると、一部の細菌は生命プロセスが停止する休眠状態に入ります。これにより、胞子として、極度の熱や圧力条件、さらには宇宙の過酷な条件にも耐えることができます。条件が良好な場合、何年も休眠状態にあった胞子は数分以内に復活します。胞子は再び水を吸収し、代謝が再開されます。しかし、一見生命力がなく、活動を停止しているように見える胞子は、再び好条件に達する時期をどのようにして知るのでしょうか?
繰り返しの衝動のみで発芽
カリフォルニア大学サンディエゴ校の菊池海人率いるチームがこの謎を発見した。研究者らは、細菌の胞子が好ましい条件を明確に示さない曖昧な環境信号をどのように処理するかという問題に特に焦点を当てた。これまでの観察では、細菌の胞子は、過去に弱陽性の環境条件が存在したときを不思議なことに記憶しており、そのような刺激を一度だけ受けた場合よりも、弱い陽性のシグナルを繰り返し受けた場合に発芽する可能性が高いことが示唆されていた。しかし、代謝プロセスが起こらない場合、どのようにしてこれが可能でしょうか?
菊枝氏と彼のチームは、数千の干し草桿菌（枯草菌）の胞子を対象に実験を行いました。まず、発芽の刺激として機能することが知られている少量の栄養素を胞子に加えた。しかし、その量は非常に少なく、短時間しか存在しなかったため、胞子の 95% はこの最初のパルスの後も休眠状態のままでした。しかし、研究者らが2時間後に再び少量の栄養素を加えたところ、全胞子の約半分が発芽した。 「胞子は最初の曝露によって感作され、発芽閾値に近づいているようです」と研究者らは説明する。生理学的に、これは理にかなっています。これにより、細菌は条件が実際に発芽に十分であるかどうかを評価でき、一時的な陽性信号に誘惑されて休眠状態から早すぎることがなくなります。
膜電位による信号処理
胞子の膜電位の測定により、枯草菌がどのようにして情報を登録し、保存できるかが明らかになりました。小さな発芽パルスごとに膜電位がわずかに減少しました。 「胞子は蓄えられたエネルギーを電気化学膜電位の形で放出し、代謝活動を必要とせずに環境に関する計算を実行できることを発見しました」と菊志氏の同僚のギュロル・シュエル氏は説明する。 「これは、これまで不活性物体として見られていた胞子についての考え方を変えます。」
細菌が劣悪な環境条件で胞子状態になると、正に帯電したカリウムイオンを内部に蓄えます。これにより、細胞膜上に電気化学的電位が生じます。胞子が発芽インパルスを受けると、カリウムイオンの一部がイオンチャネルを通って細胞から受動的に流出し、膜上の電気化学ポテンシャルが低下します。衝撃が非常に低く、カリウムイオンのごく一部しか流出しない場合、発芽を引き起こすには十分ではありません。しかし、いくつかのパルスが蓄積すると、膜電位は最終的に閾値に達します。細胞が静止状態を離れるには、小さなインパルスで十分です。
「胞子が情報を処理する方法は、私たちの脳のニューロンが機能する方法と似ています」とシュエル氏は説明します。 「細菌とニューロンの両方において、小さくて短い入力が時間の経過とともに追加され、閾値に達したかどうかが判断されます。閾値に達すると、胞子は生命に戻り始め、同時にニューロンは他のニューロンと通信するために活動電位を発火します。研究者らは、「統合と発火」とも呼ばれるこのメカニズムを数学的モデルで表現し、実際にそれが可能でした。」彼らはこれを細菌胞子の挙動を説明するために使用しています。
さらなる詳細はまだ明らかになっていない
カリウムイオンが細胞から流出する正確な原因はまだ不明です。変化した膜電位がなぜ、どのようにして細胞を復活させるのかという疑問もまだ解明されていない。ウィスコンシン大学マディソン校のジョナサン・ロンバルディーノ氏とブリアナ・バートン氏は、「さまざまな分類群の胞子の発芽挙動を調べる将来の研究は、環境条件が発芽閾値をどのように決定するかについて有用な洞察を提供する可能性がある」と研究に付随する解説で書いている。科学誌。
しかし、これまでの結果はすでに広範囲に影響を及ぼしている。「この研究は、病原性胞子の潜在的な脅威に対処する別の方法を示しており、地球外生命体に私たちが期待できることにも影響を与えている」とシュエル氏は述べた。 「もし科学者たちが火星や金星で生命体を発見したとしても、それはおそらく休眠状態にあると思われます。そして、完全に無反応に見える生命体でもまだ次のステップについて考えることができる可能性があることがわかっています。」
出典: Kaito Kokuchi (カリフォルニア大学サンディエゴ校) 他、Science、 doi: 10.1126/science.abl7484
