存在しなかった細胞

萩野京子氏は、日本の高知県出身の藻類学者です。ジョン・ゼア氏と同様、彼女のキャリアも1990年代後半に始まり、ある微生物との出会いが彼女のキャリアの方向性を大きく変えました。彼女は古生物学の研究チームの一員として、海底に生息する微小な藻類の化石を研究し、地球の過去の気候に関する情報を解明しようとしていました。

彼女が調べた無数の微細な化石の中で、彼女を完全に魅了したものが一つあった。それはブラアルドスファエラ・ビゲロウィイという藻類の一種だった。萩野は親しみを込めてそれを単にビゲロウィイと呼んでいる。

ビゲロウィーは生涯のある時期に、この美しい幾何学的な殻で身を包みます。萩野さんは採取した標本の中に、こうした五角形の骨格を数多く見つけました。「初めてビゲロウィーを見つけた時、その美しい形に感動しました」と萩野さんは語ります。「まるで宝石のように、とても美しい形をしています。」

しかし、内部に生息する藻類については、誰もほとんど何も知らなかった。萩野が研究したかったのはまさにこの点だった。だが、彼女と同じように藻類に魅了される人は他に誰もいなかったようだ。

「研究を始めた当初、当時の上司は反対しました」と彼女は語った。「『誰も読まないような研究をしたとしても、それで仕事は得られない』と言われたんです。」

当時、萩野さんは大学での職探しに苦労していた。同時に、幼い子供たちの世話もしていた。さらに、夫が仕事を見つけた新しい街へ引っ越すことになった。彼女の人生におけるあらゆる状況は、まるで「もう諦めて別のことを学ぶべきだ」と言っているかのようだった。しかし、萩野さんにはそれがどうしてもできなかった。どういうわけか、この藻類には彼女を強く惹きつける何かがあり、彼女はそれについて全てを学びたいと思った。たとえそれが独学で研究することを意味するとしても。

そこで萩野さんと娘さんは、この幻の藻類を見つけようと、海水サンプルを採取するために海岸へ出かけるようになった。何年にもわたり、彼女たちは何百回も海岸へ足を運んだ。あまりにも頻繁に海水サンプルを採取していたため、娘さんは人々が海水浴など他の目的で海岸に行くことを全く知らなかったほどだった。

「『海って、海水を集める場所じゃないの？』」と、萩野さんは娘が言った言葉を回想した。

萩野さんはその後、自宅で何時間も顕微鏡を使ってビゲロウィ細胞を探し、見つけたら一つ一つ選り分けていった。これは途方もなく時間がかかる作業だったが、他に研究する方法はほとんどなかった。どんなに工夫しても、試験管の中では細胞がなかなか増殖しなかったのだ。

萩野さんは長年、大学からの給料を一切受け取らずに培養に励んできた。生活費を稼ぐため、研究室で試験管を洗うアルバイトを始めた。ある日、研究室の科学者と話していたところ、培養に変わった材料を加えてみたらどうかと提案された。それは化学薬品でも、研究室で普通見かけるようなものでもなかった。それは、海藻から作られる日本の伝統的なゼリー状の麺、ところてんだった。

萩野は驚いたことに、その麺こそがビゲロウィーにまさに必要なものだったのだ。

「ビゲロウィーが泳いでいるのを見て、その数が増えているのが分かりました」と彼女は言った。「本当に嬉しかったです。」

培養に成功したことで、彼女はついにこの生物に関する大きな疑問のいくつかに答えるのに十分な細胞を培養できるようになった。そして、萩野の頭の中には、ある大きな疑問が常にあった。長年にわたるビゲロウィの研究の中で、彼女は奇妙なことに気づいたのだ。藻類細胞には通常の構成要素がすべて揃っていた。しかし、彼女には説明できないもの、教科書にも載っていないものも存在していた。それは、藻類の中心にある黒い点だった。

萩野氏は、この謎の点に関する論文を発表する準備をしていたところ、アメリカの科学誌『サイエンス』に掲載されたばかりの記事を偶然見つけた。その記事は、目に見えない窒素固定細菌の探索について記述しており、著者はそれが藻類の一種の中に生息している可能性が高いと推測していた。記事の著者はジョン・ゼア氏で、彼が言及していたのはブラアルドスファエラ・ビゲロウィイという藻類のことだった。

萩野は、ビゲロウィーの中で発見した奇妙な物体について考えた。すべてのピースがはまった。彼女はビゲロウィーの遺伝子検査を行い、結果は陽性だった。彼女は、ゼールが長年探し求めていた窒素固定細菌を発見したのだ。

「誰かがビゲロウィーの研究をしているなんて、想像もしていませんでした」と彼女は言った。「自分が追い抜かれていたなんて、ショックでした。」

ゼール氏もまた、萩野氏が自身の発見をゼール氏に伝えようと連絡してきたことに驚いた。それは、海を隔てた遠く離れた場所で取り組んでいた、同じパズルだった。「私たち二人とも、その二つが結びついているとは知らなかったんです！」と彼は語った。

萩野とゼールは共に、科学的な謎を解き明かすべくキャリアを費やしてきたが、互いが相手の欠けていたピースを握っているとは夢にも思っていなかった。そして今、彼らは文化という共通の基盤を得たことで、想像をはるかに超える深遠な謎を解き明かす機会を得たのだ。

両者が協力することで、生物学の根本的な法則を書き換えるようなレベルの連携が明らかになるだろう。

自然界は共生関係で溢れています。2つの生物が互いに助け合っている関係です。映画『ファインディング・ニモ』に登場するクマノミはその好例で、 イソギンチャクのパートナーの面倒を見る代わりに、安全な住処を与えられています。しかし、こうした助け合いの関係は、さらに密接なものへと発展していくことがあります。 サンゴのように、体内に共生する褐虫藻から栄養を得る生物もいます。さらに、細胞の中に別の細胞が存在するケースもあります。ある時点から、その関係は非常に密接になり、どちらの生物がどこから始まっているのか分からなくなるほどで​​す。

さて、2つの生物が融合する、つまり別々の存在から同一の存在の一部となるというのは、実に驚くべきことであり、地球上の生命の歴史において、このような境地に達した例はごくわずかしかない。その代表的な例が、地球上のあらゆる複雑な生命体に見られる細胞のエネルギー源であるミトコンドリアと、光合成によって太陽光と二酸化炭素を食物に変える植物細胞の小器官である葉緑体である。これらの例はいずれも、最初は独立した細胞として始まったが、時を経て互いに非常に接近し、最終的には細胞小器官、つまり他の細胞の中に存在する小さな器官となったのである。

しかし、ビゲロウィ菌とその内部細菌の関係はどうだろうか？両者の関係が密接であることは疑いようがなかった。ゼールとハギノは、両者がどのように連携しているのかを知りたいと強く願っていた。そこで二人は協力することにした。ハギノは実験の進行に合わせてカリフォルニアを訪れることを期待して、培養物をジョンの研究室に送った。

培養細胞がゼール氏のオフィスに到着したとき、彼は興奮のあまり、その瞬間を写真に収めた。彼のチームは、どの実験を最初に行うかについて議論を交わした。

「研究室のメンバー全員で集まって、まず最初にやるべき10のことを決めたんです。培養がどれくらい続くか分からなかったので」と彼は語った。「そして3日以内に、新型コロナウイルスによるロックダウンが始まったんです。」

パンデミックは彼らの計画すべてを狂わせた。日本は非常に厳しい渡航制限を設け、それが何年も続いた。萩野はこれまで懸命に努力してきたにもかかわらず、ゼールと直接会うことができなかった。しかし、二人は依然として答えを求めており、ゼールの研究室で実験を続けることに決めた。ゼールと共同で獲得した助成金から資金を得ていた萩野は、遠くからできる限りの支援をすることになった。

そして間もなく、藻類と細菌の関係が一般的な共生関係とは異なることを示す手がかりが見つかり始めた。ビゲロウィ藻と細菌は常に同時に分裂し、同じ速度で成長し、その成長の仕方はミトコンドリアや葉緑体と非常によく似ていたのだ。

しかし、最も説得力のある証拠は、ゼール研究室のポスドク研究員であるタイラー・コールからもたらされた。彼は2つの生物の内部にあるタンパク質を研究していたとき、奇妙なことに気づいた。細菌には、本来遺伝子を持たないはずのタンパク質が大量に存在していたのだ。これらのタンパク質は、ビゲロウィー菌に見られる余分な遺伝子によって生成されていた。そして、これらの余分な遺伝子のそれぞれの末端には、同じ短いDNA配列が繰り返し現れていた。

このパターンは、コールに以前の謎を思い出させた。窒素固定細菌が、生存に必要なタンパク質の遺伝子の多くを何らかの理由で失ってしまったという謎だ。ビゲロウィーが代わりにそれらの遺伝子を供給しているのだろうか？それを確かめるため、彼は実験を行った。一方の生物の失われた遺伝子と、もう一方の生物の余分な遺伝子を並べてみたのだ。驚くべき一致が見られた。細菌が失った遺伝子のほぼすべてに対して、ビゲロウィーは余分なコピーを進化させていた。そして、それらの余分な遺伝子のそれぞれには、同じDNA配列が末端に付加されていた。これは、タンパク質を細菌に送り届けるための分子的な指示だったのだ。

この発見は非常に大きな意味を持つ。なぜなら、このようなシステムはミトコンドリアや葉緑体でごくわずかしか確認されておらず、今回、ゼールとハギノがビゲロウィイ内部で発見した小さな点の中にも存在していたからだ。窒素固定細菌はもはや細菌ではなく、ビゲロウィイの一部、つまり独立した微生物から細胞小器官へと変化した存在となっていたのだ。

ゼールと彼のチームは、それをニトロプラストと名付けることにした。

そしてそれはまた、ビゲロウィーが、バクテリアのような単純な生物だけが空気中の窒素を取り込むことができるという根本的な法則を破ったことを意味していた。この藻類は、生命の樹の複雑な系統樹において、空気中の窒素を取り込むことができることが知られている最初の生物である。

まだ初期段階ではあるものの、コール氏は今回の発見が農業などの産業に大きな影響を与える可能性があると述べている。「この生物は、何十年にもわたるバイオテクノロジーでは成し遂げられなかったことをやってのけた。つまり、この細胞にこのような能力を組み込んだのだ。ここから学ぶべき教訓があると考えるのは当然のことだ」と彼は語った。

ゼール氏は慎重ながらも楽観的な見方を示しつつも、自家受粉植物の実用化はまだ遠い道のりだと考えている。「残念なのは、ニトロプラストに関する我々の知識から、植物の遺伝子操作に至るまでが非常に難しいことだ」と彼は述べた。「しかし、一歩を踏み出さなければ、100歩も進むことはできない。」

ゼールとハギノは、研究が今後どのような方向へ進むのかを楽しみにしている。しかし、彼らにとって、研究の目的は世界を変えることではなかった。彼らは、何が見つかるかは分からなくても、自然界の仕組みについて少しでも多くを学べることを期待して、パズルの小さなピースを研究することにキャリアを費やしてきたのだ。

そしてその点に関しては、まだまだ学ぶべきことがたくさんあります。

「今回の経験から、どの研究がいつ役立つのかは分からないということが分かった」と萩野氏は述べた。

「最も大きな進歩は、予想もしなかったものから生まれるかもしれない」とゼア氏は述べた。「そして、これはまさにそのようなケースかもしれない」。