バクテリアは電波に匹敵する化学シグナルを使ってコミュニティを形成することが判明

細菌が互いに結合して、協力や競争、高度なコミュニケーションを行う社会組織的なコミュニティを形成していると言うと、最初はSF世界のことのように思えるかもしれない。しかし、バイオフィルム・コミュニティは、病気の原因から消化の助けまで、人間の健康にとって重要な意味をもっている。また、環境保護やクリーンエネルギーの生成を目的としたさまざまな新技術においても、バイオフィルムは重要な役割を担っている。UCLAが主導した新研究は、人体の組織や臓器など、バイオフィルムが形成された表面から有用な微生物を培養したり、危険な微生物を除去したりするのに役立つ知見を科学者に与える可能性がある。この研究は、2022年1月25日にPNAS誌のオンライン版に掲載されたもので、バイオフィルムが形成される際に、バクテリアが無線通信に似た化学信号を使って子孫と通信する仕組みが説明されている。

この論文は、「振幅および周波数変調されたc-di-GMPシグナルのブロードキャストにより、バクテリアの系統における協調的な表面コミットメントが促進される（Broadcasting of Amplitude- and Frequency-Modulated c-di-GMP Signals Facilitate Cooperative Surface Commitment in Bacterial Lineages.）」と題されている。

この研究者らは、環状ジグアニル酸（c-di-GMP）と呼ばれるメッセンジャー分子の濃度レベルが、時間と共に、そして細菌の世代を超えて、明確に定義されたパターンで増加したり減少したりすることを明らかにした。この研究により、細菌細胞はこの化学的シグナル波を利用して、子孫に情報を伝達し、コロニー形成を調整していることが明らかになった。

「この現象では、ある細胞が表面に付着するかどうかは、その振動の特定の形状に影響される。これは、AMおよびFMラジオ波に情報が保存されるのと同じことである。」と、UCLA Samueli School of Engineeringのバイオエンジニアリング教授、UCLA Collegeの化学・生化学教授、UCLA California NanoSystems Instituteのメンバーである筆頭著者Gerard Wong博士が語っている。「それは、バクテリアのマスコミュニケーションのように働くバイオフィルム形成を制御したり、微調整するための新しいノブを潜在的に持っていることを意味する。」

バイオフィルムの形成を止めることは、嚢胞性線維症の人の肺の内壁を覆う感染症に対抗するような、ある種のシナリオで命を救うことになるかもしれない。

また、消化を助けるために腸内の善玉菌のコロニーを強化したり、病気の原因となる微生物から人々を守ったりする場合にも、バイオフィルムの培養能力を高めることが有効であると思われる。また、UCLAの研究者を含む科学者やエンジニアは、プラスチックの分解や産業廃棄物の処理、さらには燃料電池による発電を可能にする細菌バイオフィルムの開発に取り組んでいる。

今回の研究はバイオフィルムが形成されるメカニズムの科学的理解に新たな局面をもたらすものである。過去20年ほどの間に確立された現在のパラダイムでは、バクテリアが表面を感知すると、その細胞はc-di-GMPの生産を開始し、その結果バクテリアが表面に付着するとされている。実際、バイオフィルム細胞は、動き回る細菌細胞よりもc-di-GMPの濃度が高い。

細菌の世代間コミュニケーション能力に着目したバイオフィルム研究は、筆頭著者のUCLA博士研究員のCalvin Lee博士がWong博士やチームメイトとともに2018年に発表した論文で先駆的に行われた。

関連論文：細菌は子孫に記憶を引き継ぐことができる。UCLA主導のチームが発見。

今回の研究では、c-di-GMPシグナルを用いて、バクテリアが表面の存在についてコミュニケーションをとる仕組みを解明。細胞は、高さや周波数が異なるシグナル波を子孫に伝えることができる。

この化学信号は、電波の振幅（高さ）をもとに信号を符号化するAM電波振幅変調と、一定時間内の電波の振動数をもとに信号を符号化するFM電波周波数変調に相当するもので、FM電波周波数変調は、FM電波振幅変調に相当する。

研究チームは、ビッグデータや人工知能に用いられる解析手法により、バイオフィルムの形成を制御する3つの重要な要因を特定した。すなわち、c-di-GMPの平均濃度、c-di-GMP濃度の振動数、バイオフィルムが形成されている表面の細胞の動きの度合いである。

「既存のパラダイムでは、1つの入力が1つの出力を生み出し、信号のレベルが上がるとバイオフィルムが形成されると考えられている。我々は、複数の入力が最終的に同じ出力につながること、そして細菌が子孫に長期にわたるメッセージを残すことができることを提唱している。」と、Lee博士は述べている。全体像を把握するためには、より多くのものを見る必要があるのだ。

この研究の他の共著者には、UCLAの大学院生William Schmidt氏と Jonathan Chen氏、ダートマス大学の大学院生Shanice Webster氏とGeorge O’Toole教授（PhD）が含まれている。

BioQuick News：Bacteria Build Communities Using Chemical Signals Comparable to Radio Waves; UCLA-Led Study Could Have Implications for Medical and Sustainability Research

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