私たちの周りには、目に見えないほど小さな微生物やウイルスが、想像もつかないほど多様に存在しています。特に広大な海の中は、生命の神秘に満ちた「未知のフロンティア」です。しかし、それら一つひとつの遺伝情報を正確に、かつ効率的に読み解くことは、科学者にとって長年の大きな挑戦でした。 そんな中、海洋生物学とテクノロジーが融合し、わずか一滴の百万分の一という極微量のサンプルから、数千ものゲノムを解読する革新的な手法が登場しました。今回は、これまで「見えなかった」生命の姿を浮かび上がらせる、最新のゲノム解析技術についてご紹介します。
ナノリットルの世界から広がる新しいゲノム解析
環境中の個々の細胞やウイルス粒子のゲノムを、より迅速かつ効率的、そして低コストで解読することを可能にする新しい手法が登場し、従来のシングルセル遺伝子シーケンシングを大幅に進化させています。
2025年11月5日付の『Nature Microbiology』誌に掲載された新しい研究の中で、ビゲロー海洋科学研究所（Bigelow Laboratory for Ocean Sciences）とアトランディ・バイオサイエンシズ（Atrandi Biosciences）の研究チームは、環境マイクロコンパートメント・ゲノミクス（environmental microcompartment genomics）と呼ぶ手法の、環境分野における初の応用例を発表しました。メイン湾の表面海水サンプルに含まれる微生物叢をシーケンシングすることで、研究チームは、特に多様で複雑な海洋ウイルスの世界を研究する上で、この手法が従来の方法に比べていかに優れているかを実証しました。
このオープンアクセス記事のタイトルは、「Single-Particle Genomics Uncovers Abundant Non-Canonical Marine Viruses from Nanolitre Volumes（シングルパーティクル・ゲノミクスがナノリットル容量から豊富な非標準的海洋ウイルスを明らかにする）」です。
本論文の筆頭著者であり、博士研究員であるアライナ・ワインハイマー博士（Alaina Weinheimer, PhD）は次のように述べています。「この研究は、シングルパーティクル・ゲノミクスのスループット（処理能力）をいかに向上させ、データの量だけでなく質も高められるかを示しています。品質を犠牲にすることなくコストを抑えながら、これまで不可能だった包括的な方法で微生物コミュニティ全体を研究することができるのです」
飛躍的に向上したスループット
シングルセルゲノミクスセンター（SCGC: Single Cell Genomics Center）によって革命がもたらされた従来の手法では、サンプル中のすべての個々の粒子をマイクロプレート上の専用のウェル（くぼみ）に仕分ける必要がありました。これにより、一度の工程で384個の粒子を処理することが可能でしたが、今回の新しい手法はこの処理能力を桁違いに向上させます。本研究において、研究チームはわずか300ナノリットル（1リットルの100万分の一未満）の海水から、2,000個以上の粒子のゲノム配列を取得することに成功しました。
このマイクロコンパートメント・ゲノミクスは、マイクロ流体技術の最新の進歩に基づいています。サンプルは、それぞれが1兆分の一リットルの水を含む、数千個の小さな半透膜の「泡」へと区画化されます。個々の細胞や粒子はランダムに各コンパートメントへとサンプリングされ、試薬を用いてDNAのコピーが大量に作成されます。増幅されたDNAには、それぞれ固有のバーコードが付与されます。その後、泡を溶解してすべての材料を混合してシーケンシング（配列解読）を行う際、そのバーコードを利用して、対応する配列を一つの完全なゲノムへと繋ぎ合わせることができるのです。
ワインハイマー博士によれば、今回の初適用は海水でしたが、初期テストでは堆積物や土壌サンプルでもこのプロセスが機能することが示されています。これらのサンプルは、生物細胞と非生物粒子を区別するのが難しいため、従来の手法では解析が困難でした。
サイズを問わず「ありのまま」を捉える
この手法は、標準的なシングルセルシーケンシングのようにフローサイトメトリーを使用しません。そのため、フローサイトメトリーが得意とする記述的なデータの一部は失われますが、サイズによる事前の選別が不要になるという大きな利点があります。つまり、あらゆるサイズの粒子を同時にシーケンシングできるのです。
「このアプローチはサイズ選択を省いているため、大きな微生物から極小のウイルス、さらには浮遊しているDNAに至るまで、すべてを同時に処理できます。微生物コミュニティを非常にホリスティック（包括的）な視点で捉えることができるのです」とワインハイマー博士は説明します。
SCGCのディレクターであり、本研究のシニアオーサー（責任著者）であるラムナス・ステパナウスカス（Ramunas Stepanauskas）博士は次のように付け加えています。「自然界の微生物世界は、その極めて高い生物多様性と物理的な小ささゆえに、依然として多くの謎に包まれています。環境マイクロコンパートメント・ゲノミクスは、その世界を研究するための全く新しい機会を創出するものです」
未知のウイルス「Naomiviridae」の発見
この迅速かつサイズに依存しないアプローチは、海洋微生物の大部分を占めながらも、サイズが多様でフローサイトメーターでは隔離できないほど小さいことも多いウイルスの研究において、特に価値を発揮します。
実際に、本研究では既存のシングルセル解析やメタゲノム解析手法（metagenomic methods）と比較した際の新手法の利点がいくつか強調されています。著者がテストしたすべての手法は、微生物コミュニティの全体的な構成については一致しており、新手法が正しく機能していることが裏付けられましたが、マイクロコンパートメント・アプローチは独自の洞察も生み出しました。
例えば、フローサイトメトリーを使用する方法は大きなウイルスを多く捕らえる傾向がありましたが、新手法はサンプル中に存在するあらゆるサイズのウイルスを捕捉しました。同様に、広く普及しているメタゲノム解析手法よりも、完全性が高く高品質なゲノム配列を提供することができました。
さらに科学者たちは、この手法で特定されたウイルスゲノムの多くが、ナオミウイルス科（Naomiviridae）と呼ばれるウイルスのグループに属していることを発見しました。このグループは最近になってようやく培養に成功したばかりで、DNA構造が非常に特殊であるため、他の手法では解析対象から除外されてしまう可能性があったものです。
ワインハイマー博士は語ります。「このウイルスグループは私たちのデータセットの中で最も豊富に存在しており、海洋で最も数の多い細菌に感染している可能性を示す証拠も見つかりました。しかし、他の方法では完全に見逃していたでしょう。現在、私たちの目には見えていないウイルスコミュニティについて、まだ多くの発見があることを示しており、これらの新しい手法でその扉を開き始めています」
