科学者が1000倍に拡大した細菌の驚くべき事実を発見

MERFISHイメージング技術と拡大顕微鏡を組み合わせることで、科学者は細菌を単一細胞レベルで研究する新しい方法を開拓しました。この新たな成果により、細菌が環境に応じてさまざまな種類の遺伝子を活性化する方法をより詳細に観察できるようになり、細菌の行動、抗生物質耐性、感染戦略に関する洞察が得られます。

細菌の働き

私たちの体に有益な細菌であれ、危険な病原菌であれ、細菌はどのようにして活動を調整するのでしょうか?最近の研究では、高度なゲノム顕微鏡検査と画期的な技術を組み合わせて、さまざまな条件や環境下で細菌が活性化する遺伝子を追跡することで、新たな洞察が得られました。最近サイエンス誌に掲載されたこの画期的な成果により、細菌研究は新たな高みに到達すると期待されている。

ボストン小児病院（米国）の細胞分子医学プログラム（PCMM）のジェフリー・モフィット博士とその同僚は、モフィット博士が開発に携わった分子イメージング技術であるMERFISHを使用して、一度に数千個の細菌サンプル中のメッセンジャーRNA（mRNA）を分析しました。この方法は、遺伝子発現を大規模にマッピングするだけでなく、空間要因が細菌の遺伝子活性化にどのように影響するかを明らかにします。これは、これまでに行われたことのない成果です。

細菌イメージングにおける課題

しかし、研究チームはまず大きな課題を克服しなければならなかった。細菌のトランスクリプトームとして知られる細菌RNAは小さな細胞の中に密集しており、区別して画像化することが難しいのだ。

研究チームは、「膨張顕微鏡法」と呼ばれる研究室で開発された技術を借用し、標本を特殊なハイドロゲルに埋め込んだ。彼らはRNAをゲルに固定し、ゲル内の化学緩衝溶液を変化させました。これによりゲルが膨張し、サンプルのサイズが 50 ～ 1000 倍に増加します。この時点で、すべての細菌の RNA は個別に消化可能になります。

細菌の遺伝子発現とは何を意味するのでしょうか?

これまで、科学者は典型的には、細菌集団全体の平均をとって細菌の行動を測定してきました。個々の細菌が使用する遺伝子を特定できれば、細菌の相互作用、毒性、ストレス反応、抗生物質耐性、カテーテルなどのバイオフィルム形成などに関する強力な新たな知見が得られる可能性があります。

「私たちは今、宿主と微生物、微生物と微生物の相互作用に関する興味深い疑問に答えるためのツールを手に入れました」とモフィット氏は言う。 「細菌がどのようにコミュニケーションを取り、空間的な位置を競い合うのかを探求し、細菌群集の構造を解明することができます。また、病原細菌が哺乳類細胞に感染する際に、どのように遺伝子発現を制御するのかを解明することもできます。」

Bacterial-MERFISH は、ペトリ皿で増殖するのが難しい細菌に関する情報も提供できます。これからは科学者は植物を育てる必要がなくなり、自然環境の中で写真を撮るだけで済むようになる。

細菌の生存戦略に関する単一細胞レベルの洞察

チームが行った実験のいくつかは、Bacterial-MERFISH が答えられる質問の種類を示しました。例えば、モフィット氏とその同僚は、個々の大腸菌細胞はグルコースが不足すると、特定の順序で遺伝子発現を変化させながら、代替の食料源を順番に利用しようとすることを実証することができた。研究チームは、時間をかけて一連の遺伝子スナップショットを撮影することで、この生存戦略を解明することができた。

研究チームはまた、細菌が細胞内でRNAをどのように組織化するかに関する情報も得た。これは遺伝子発現のさまざまな側面を制御する上で重要である可能性がある。以前は、このような変化に対処するのは非常に困難でしたが、今ではこの作業ははるかに簡単になりました。