2023年2月13日にJournal of Biological Chemistry誌に掲載された最新の研究により、進化の驚異である非常に長い尾を持つバクテリオファージの秘密が明らかになった。この驚異的な尾は、人間を寄せ付けない温泉地に生息し、地球上で最も手強い細菌を捕食するバクテリオファージの一種である。バクテリオファージは、細菌に感染して複製するウイルス群で、地球上で最も一般的で多様なものである。
「バクテリオファージ、略してファージは、あなたの周りの土や水、そしてあなた自身の体の微生物生態系も含めて、バクテリアがいるあらゆる場所に存在している。」と、UMass Chan医科大学の大学院生で、この研究の主執筆者のエミリー・アグロ氏は言う。
このJBCの論文は「コンフォメーションダイナミクス制御による超長尺バクテリオファージ尾部チューブの構築（Conformational Dynamics Control Assembly of an Extremely Long Bacteriophage Tail Tube）」と題されている。
ファージは、ヒトや動物に感染する多くのウイルスが1つの区画しか持たないのとは異なり、核酸を含むトゲトゲのようなプリズム状のタンパク質の殻に尾が付いた構造になっている。
ファージの尾は、髪型のように長さやスタイルが様々で、長くて弾むようなものもあれば、短くて硬いものもある。ほとんどのファージが短くて微細な尾を持つのに対し、「ラプンツェル・バクテリオファージ」P74-26の尾は他のファージの10倍も長く、長さは1マイクロメートル近く、蜘蛛の糸の幅ほどもある。 「ラプンツェル」という名前は、髪の非常に長い少女が悪い魔女によって塔に閉じ込められたというおとぎ話に由来している。
この研究を監督したUMass Chanの生化学・分子生物学准教授であるブライアン・ケルヒ博士は、P74-26を "モンスター級の尾 "と表現した。
ファージの尾部は、濃厚な粘性物質で覆われた細菌に穴を開けるために重要だ。P74-26は長い尾を持つことで、最も手強いバクテリアに侵入し感染することができる。P74-26は、尾部が非常に長いだけでなく、最も安定したファージであるため、170℃以上の温泉に生息する細菌に感染することができる。研究者らは、P74-26がなぜ、このような極限環境に存在できるのかを明らかにするために研究を続けている。
アグロ氏は、このような高温で増殖するファージを扱うため、試験管の中でファージの尾部が自己集合するように、実験条件を調整する必要があった。ケルヒ博士によると、アグロ氏は尾部の自己組織化を迅速に行うシステムを構築したと言う。
「ファージ尾部は、多くの小さな構成要素からなり、それらが集まって長いチューブを形成している。我々の研究は、これらのビルディングブロックが集まってくるときに、形、つまりコンフォメーションを変えることができることを発見した。この形状変化の挙動は、ビルディングブロックが一緒になってテールチューブの正しい構造を形成するために重要だ。」
高倍率のイメージング技術とコンピューターシミュレーションを駆使し、尾翼の構成要素が互いに寄り添って安定することを突き止めたのだ。
「我々は、クライオ電子顕微鏡という技術を使った。これは、非常に高い倍率で何千もの画像やショートムービーを撮ることができる巨大な顕微鏡だ。」とアグロ氏は説明してくれた。「ファージの尾筒の写真をたくさん撮って、それらを重ねることで、構成要素がどのように組み合わさっているのかを正確に把握することができた。」
P74-26は、「ボールとソケット」のような仕組みで頑丈に動くことを発見した。また、尾部は分子の輪を垂直に積み重ね、中空の管路を作ることで形成されている。
「私は、このファージの積み木をレゴのようなものだと考えた」とケルヒ博士は言う。「レゴは、一方に突起があり、もう一方に穴やソケットがある。」
レゴのソケットが閉じている状態を想像してみて欲しい。しかし、レゴで組み立てを始めると、ソケットが開き始め、他のレゴの溝がより大きな組み立てをできるようになる。この動きは、ファージのビルディングブロックが組み立てを自己制御するための重要な方法だ。
ケルヒ博士は、P74-26は多くのファージと比較して、尾部を構成する積層リングを形成するために、半分の数のビルディングブロックを使用していることを指摘した。
「我々は、古代のウイルスがその構成要素を融合させて1つのタンパク質にしたのだと考えている。2つの小さなレゴブロックが、継ぎ目のない1つの大きなレンガに融合されたと想像して欲しい。この長い尾は、より大きく、より頑丈な構成要素で作られている」「このことが、高温下での尾部の安定化につながると考えている」とケルヒ博士は説明する。
研究チームは今後、遺伝子操作によってファージの尾の長さを変え、それによってファージの挙動がどう変わるかを調べる予定だ。
ファージはヘルスケア、環境保全、食品安全などさまざまな産業で重要な役割を担っている。実際、P74-26のような長尾型ファージは、特定の細菌感染症の治療に予備的な臨床試験で使用されている。
「バクテリオファージは、抗生物質に代わる細菌感染症の治療薬として、高い関心を集めている。」「ファージアセンブリを研究することで、これらのウイルスが細菌とどのように相互作用するかをよりよく理解することができ、より効果的なファージベースの治療法の開発につながる可能性がある。ユニークで興味深いものを研究することで、まだ想像もつかないような発見や応用につながると信じている。」と、アグロ氏は述べている。
[News release] [Journal of Biological Chemistry article]
写真：バクテリオファージP74-26の構造図（クレジット：レオノーラ・マルティネス＝ヌニェス）
