バイオスタシス

バイオスタシスとは、生物が環境の変化に積極的に適応することなく耐える能力のことである。バイオスタシスは、干ばつ、氷点下、pHレベルの変化、圧力、温度など、不利な生活条件に遭遇する可能性のある生息地に生息する生物に見られる。昆虫はこれらの条件を生き延びるために休眠と呼ばれる一種の休眠状態に入る。休眠はこれらの昆虫が生き延びるために必須である可能性がある。昆虫は、開始イベントの到来前に変化を起こすこともできる。^[1]

この文脈におけるバイオスタシスは、生存可能だが培養不可能な状態と同義です。過去^{[いつ? ]には、}細菌が培養培地で増殖しなくなった場合、細菌は死んでいると想定されていました。現在では、細菌細胞がバイオスタシスまたは仮死状態になり、培地で増殖できなくなり、蘇生すると再び培養可能になる例が数多くあることがわかっています。VBNC状態は、「飢餓生存状態」(細胞が代謝を大幅に低下させる)とは異なります。細菌細胞は、「飢餓、増殖温度範囲外での培養、浸透圧濃度の上昇(海水)、酸素濃度、または白色光への曝露」などの外部ストレスの結果としてVBNC状態になる場合があります。これらの例はいずれも、細菌がこの休眠状態に入ることができなかった場合、非常に簡単に死を意味する可能性があります。また、細菌が破壊された（牛乳の低温殺菌）と考えられていた多くの事例で、細菌が VBNC 状態になったために、後に腐敗や消費者への有害な影響が発生したことも観察されています。

VBNC 状態に入る細胞への影響には、「矮小化、代謝活動の変化、栄養素輸送、呼吸速度、高分子合成の減少」が含まれます。それでも生合成は継続し、ショックタンパク質が作られます。最も重要なことは、ATP レベルと生成が高いままであることが観察されています。これは、生成と保持が急速に減少する死滅細胞とはまったく対照的です。VBNC 状態の細菌の細胞壁の変化も観察されています。大腸菌では、ペプチドグリカンに大量の架橋が観察されました。自己分解能力も、成長状態の細胞よりも VBNC 細胞の方がはるかに高いことが観察されています。

細菌を VBNC 状態に誘導するのははるかに簡単ですが、細菌細胞がいったん VBNC 状態に入ると、培養可能な状態に戻すのは非常に困難です。「彼らはレジオネラ・ニューモフィラの培養不能性と蘇生を検査しました。この状態への誘導は栄養飢餓によって簡単に誘導されましたが、蘇生は VBNC 細胞をアメーバであるアカンサメーバ・カステラーニと共培養した後にのみ実証されました。」

真菌静止状態または菌類静止状態は、土壌中の真菌に見られる自然に発生する VBNC (生存可能だが培養不可能) 状態です。Watson と Ford は真菌静止状態を「内因性または構成的休眠状態にならない生存可能な真菌の繁殖体が、土壌の好ましい温度または湿度条件で発芽しない、または温度や湿度以外の土壌環境条件によって真菌の菌糸の成長が遅延または終了する場合」と定義しました。基本的に (そして主に土壌で自然に発生するのが観察されます)、いくつかの種類の真菌は、外部のストレス要因 (温度、利用可能な栄養素、酸素の利用可能性など) または観察可能なストレス要因がまったくない結果として VBNC 状態になることがわかっています。

2018 年 3 月 1 日、国防高等研究計画局(DARPA) は、トリスタン・マクルーア・ベグリー博士の指揮の下、新しいバイオスタシス プログラムを発表しました。バイオスタシス プログラムの目的は、細胞レベルで人体の速度を遅くすることで外傷を負った患者のゴールデン アワーを延長する新しい可能性を開発し、壊滅的な生命を脅かす出来事に直面した生物システムの継続的な動作時間の追加の必要性に対処することです。分子生物学を活用して、このプログラムは生体システムの速度を制御し、「生命を救うために生命を遅くする」方法を見つけることを目指しています。^[2]

2018年3月20日、バイオスタシスチームはウェビナーを開催し、 Broad Agency Announcement （BAA）と併せて、外部組織から5年間の研究提案を募集しました。完全な提案の提出期限は2018年5月22日でした。^[3]

DARPAはウェビナーで、バイオスタシスプロジェクトのためのいくつかの研究アプローチの概要を示しました。これらのアプローチは、細胞内機構の選択的安定化がタンパク質レベルで起こることを示唆するクマムシとアメリカアカガエルの休眠に関する研究に基づいています。^[2]

分子生物学において、分子シャペロンは他の高分子構造の折り畳み、展開、組み立て、または分解を助けるタンパク質です。通常の条件下では、分子シャペロンは温度、pH、電圧などの環境要因の変化に応じて高分子の形状の変化（構造変化）を促進します。構造の柔軟性を低下させることで、科学者は特定のタンパク質の機能を制限することができます。^[3]最近の研究では、タンパク質は無差別であること、つまり、進化の過程で担うべき役割に加えて、他の役割も担えることが示されています。^[4]さらに、タンパク質の無差別性は、種が新しい環境に適応する上で重要な役割を果たしています。^{[4]無差別タンパク質の}構造変化を制御する方法を見つけることで、科学者が生物のバイオスタシスを誘導できる可能性があります。 ^[3]

細胞の混雑は生物システムの重要な側面です。^[5]細胞内の混雑とは、細胞の内部が混雑するとタンパク質の機能と水との相互作用が制限されるという事実を指します。^[3]細胞内小器官は、細胞を区画化し、生物学的反応の時空間制御を可能にする膜結合小胞または膜なしの区画です。^{[6]これらの細胞内}ポリマーを生物システムに 導入し、細胞の混雑を操作することで、科学者はシステム内の生物学的反応の速度を遅くすることができるかもしれません。

クマムシは休眠状態に入ることができ、凍結や乾燥など、さまざまな環境ストレスに耐えることができる微小な動物です。^[1]研究では、これらの生物の天然変性タンパク質が細胞機能を安定させ、これらの極端な環境ストレスから保護する働きがあることが示されています。^[7]ペプチド工学を使用することで、科学者は天然変性タンパク質をより大きな動物の生物系に導入できる可能性があります。 ^{[3]これにより、より大きな動物が極端な生物学的ストレス下にある}クマムシと同様の生物静止状態に入ることができる可能性があります。

• オリバー、ジェームズ D.「細菌の生存可能だが培養不可能な状態」微生物学ジャーナル43.1 (2005): 93-100。
• 菌類の静菌と一般的な土壌のバイオスタシス 新しい合成 Paolina Garbeva、WH Gera Holb、Aad J. Termorshuizenc、George A. Kowalchuka、Wietse de Boer
• Watson, AG, Ford EJ 1972 土壌真菌症 - 再評価。Annual Review of Phytopathology 10、327。