細菌とウィルスの腕の競い合いが、急速で複雑な進化への希少なチャンスを提供

わずか3週間で、細菌（大腸菌）とウイルス（バクテリオファージ、または「ファージ」とも呼ばれます）の間で、いくつかの進化的適応が生じます。2023年11月10日にScience誌に発表された新しい発見は、異なる進化的パターンの出現を明らかにしています。この論文のタイトルは「Rapid Bacteria-Phage Coevolution Drives the Emergence of Multiscale Networks.（急速な細菌-ファージ共進化が多スケールネットワークの出現を引き起こす）」です。

「この研究では、進化の力を示しています」とメイヤー准教授は述べています。彼は、「細菌とファージ間の共進化が、非常に複雑な生態学的ネットワークの出現を促進することを目の当たりにしています。進化はダーウィンが考えたように遅くて段階的である必要はありません」と話しています。

メイヤー博士によれば、この新しい研究は、サバンナの食物網、熱帯雨林の花粉媒介ネットワーク、または海洋で相互作用する微生物など、様々な生態系で発展する複雑な生態学的ネットワークについての新たな視点を提供します。

時間とともに細菌とウイルスがお互いの存在に適応するにつれて、2つの顕著な繰り返しパターンが現れました。これには、「ネスティング」、つまり細菌とウイルスの専門家間の狭い相互作用がより広範囲の一般的な相互作用内に「ネスト」する発展；および「モジュール性」、つまり種間の相互作用が特化されたグループ内でモジュールを形成するが、グループ間では形成しない、ということが含まれます。

「私たちは、わずかなフラスコで行われた進化実験が、地域的および大洋横断的なスケールで以前に観察された細菌とウイルス間の複雑なパターンを再現していたことに驚きました」とボーリン博士は言います。

「私たちの研究チームが、環境中の細菌とファージの相互作用データでこの多スケールパターンを初めて定量化したとき、私たちは、そのような複雑さの出現には長い進化期間が必要だと考えました」と、メリーランド大学生物学部のジョシュア・ワイツ教授（Joshua Weitz, PhD）は付け加えました。

メイヤー博士は、進化の発展を「実際に」捉えることが、しばしば過小評価される進化の力を強調すると述べています。急速な病原体の進化は、抗体、ワクチン、そして効果的な感染や拡散を防ぐその他の障害に遭遇したときに新しい株を生じるウイルスの進化的適応能力を通じて、新しい方法で私たちの世界を形作っています。COVID-19と新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）の新しい変異体を通じて、このような新しい微生物進化の概念は、患者の治療方法を再考させています。

「進化は、ほとんど外部の助けを得ずに、迅速に複雑な生態学的ネットワークを生み出すことができることを示しています。したがって、ファージと細菌を使って、一般的な進化原理を理解し、地球上の生命がどのようにして単純な始まりから多様で複雑な生態系に進化したかを示すことができます。」とメイヤー博士は述べ、そのような外部の進化的力には、地理的な距離による隔離、環境的要因、他種との相互作用などが含まれると指摘しています。

関連する研究では、メイヤー博士とワイツ博士は、成長している抗生物質耐性危機でファージをどのように使用できるかを研究するために人工知能を使用しています。この研究には、ファージと細菌のどの変異が感染と耐性を引き起こすかを特定するための進化データの分析が含まれています。また、この研究は、「ジャンボ」ファージが新しい治療剤としてどのように使用されるかを研究する、ハワード・ヒューズ医学研究所によって支援される新しい取り組みを強調しています。

このScience誌の論文の共著者には、ジョシュア・ボーリン博士、ジャスティン・リー、アドリアナ・ルシア＝サンズ、クリスタ・ジャービノ、ジョシュア・ワイツ博士、ジャスティン・メイヤー博士が含まれています。

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