微生物の協力

微生物系で見られる最も一般的な協力関係は、おそらく相互利益関係でしょう。相互利益関係のある社会的相互作用は、関係する両方の個体に直接的な適応度利益をもたらし、その行動を実行するコストを上回ります。^{[ 4 ]}個々の微生物が存在する環境では、相利共生は多くの場合、個体の適応度利益を高めるために行われます。しかし、コミュニティでは、微生物は集団の存続を可能にするために大規模に相互作用し、それによって自身の適応度を高めます。^{[ 5 ]}

多くの場合、こうした行動をとる生物は、協力することに共通の利益を持っている。微生物系では、これはしばしば、公共財として知られる代謝的にコストのかかる分子の生産という形で現れる。多くの微生物、特に細菌は、細胞外環境に放出される多数の公共財を生産する。これらの公共財は、個々の生物のために生産されたにもかかわらず、拡散によって近隣の生物にも利用されるようになる。

相互に有益な微生物相互作用の非常に一般的な例の1つは、シデロフォアの産生です。シデロフォアは、細菌や真菌を含む多くの微生物分類群によって産生される鉄捕捉分子です。これらの分子はキレート剤として知られており、通常は不溶性の形で存在する環境中の鉄の取り込みと代謝を促進する上で重要な役割を果たします。^{[ 6 ]}細菌がこの制限因子にアクセスできるようにするために、細胞はこれらの分子を製造し、細胞外空間に分泌します。^{[ 7 ]}放出されると、シデロフォアは鉄を隔離して複合体を形成し、細菌の細胞受容体によって認識されます。その後、細胞内に輸送されて還元され、鉄が細菌にとって代謝的に利用可能になります。シデロフォアの産生は、化合物が個々の使用に限定されないため、相利共生の例としてよく使用されます。生物がシデロフォア-Fe(III)複合体の受容体を持っている限り、それらは取り込まれて利用できます。^{[ 8 ]}

相互に有益な相互作用の進化を正当化する説明は数多く存在する。最も重要なのは、公共財の生産が進化的に有益であるためには、その行動が、その行動を実行するコストを上回る、行為者の生殖パフォーマンスへの直接的な利益をもたらさなければならないということである。^{[ 6 ]}これは、直接的な適応度利益の場合に最もよく見られる。細菌はコロニーで存在することが多いため、近隣の細菌は遺伝的に共通性を示す可能性が高い。したがって、近くの細菌が成長して分裂する機会を増やすことで、宿主は自身の遺伝物質の伝達を増やすことになる。シデロフォアの場合、細菌系統間の関連性とシデロフォアの生産との間に正の相関関係が見出された。^{[ 7 ]}

しかし、微生物群集は、自分たちの種の生存と生産性だけに関心があるわけではありません。混合群集では、異なる細菌種が、不必要な競争を避けるために、他の種の老廃物を含むさまざまな食物源に適応することがわかっています。^{[ 9 ]}これにより、群集全体の効率が向上します。

微生物の成功には、バランスの取れたコミュニティを持つことが非常に重要です。シデロフォアの生産の場合、キレート剤の生産にエネルギーを費やす微生物と、異種シデロフォアを利用できる微生物との間に平衡がなければなりません。そうでなければ、利用する微生物が最終的に生産者を凌駕し、シデロフォアを生産できる生物がいないコミュニティが残され、低鉄条件下では生存できなくなります。この2つの集団間のバランスを保つ能力は現在研究されています。これは、非生産者に低親和性受容体が存在するか、生産者が毒素を介した干渉メカニズムを生成するためと考えられています。^{[ 10 ]}

公共財の生産はすべての個人に利益をもたらすことを目的としているが、同時に、不正行為者、つまり財の生産コストを支払わずに利益を得る個体の進化にもつながる（図 1）。適応度コストを最小限に抑えるため、自然選択は、近隣の分泌物を利用しながら分泌しない個体を有利にする。シデロフォアを分泌する細胞の集団では、非分泌変異細胞は分泌コストを支払わないが、野生型の近隣細胞と同じ利益を得る。最近、Griffin ら（2004）は、緑膿菌におけるシデロフォア生産の社会的性質を調査した。^{[ 11 ]}純粋培養で増殖した細胞を鉄制限環境に置くと、シデロフォアを分泌する細胞（野生型）の集団が、非分泌変異体の集団よりも優勢になった。したがって、鉄が制限されている場合、シデロフォア生産は有利である。しかし、同じ集団を鉄分豊富な環境に置くと、変異株集団が野生株集団を凌駕し、シデロフォア産生には代謝コストがかかることが示された。最後に、野生株と変異株の細菌を同じ混合集団に置くと、変異株はコストを払うことなくシデロフォア産生の恩恵を受けることができ、その結果、頻度が増加する。この概念は一般的に「共有地の悲劇」と呼ばれている。

囚人のジレンマゲームは、進化生物学者が協力的な微生物システムにおける不正行為の存在を説明するもう一つの方法です。 1950年にメリル・フラッドとメルビン・ドレッシャーによって最初に提唱された囚人のジレンマは、ゲーム理論における基本的な問題であり、両者にとって協力することが最善の利益となる場合でも、2人の個体が協力しない可能性があることを示しています。このジレンマでは、2人の個体はそれぞれ、相手と協力するか、不正行為をするかを選択します。両者が協力すれば、平均的に最大の利益が得られます。しかし、一方の個体が不正行為を選択した場合、その個体はより大きな個人的利益を得ます。ゲームが1回だけプレイされる場合、不正行為は優れた戦略であるため、優れた戦略となります。しかし、生物学的に現実的な状況では、繰り返しの相互作用（ゲーム）、突然変異、不均一な環境などにより、単一の安定した解は存在せず、個々の戦略の成功は無限の周期的または混沌としたサイクルで変化する可能性があります。ゲームの具体的な解は、反復の実行方法と、報酬が個体群および群集の動態にどのように反映されるかに大きく依存します。

大腸菌 では、定常期増殖優位性（GASP）表現型を示す変異株^{[ 12 ]}がバッチ培養で野生型（WT）株と競合する場合に囚人のジレンマ状況が観察される^{[ 13 ]} 。このようなバッチ培養では、培養物を振盪することで増殖環境が均質化されるため、WT細胞は細菌の増殖を停止させることで協力し、生態系の崩壊を防ぐ一方、GASP変異株は野生型の制御機構に転向することで増殖を続ける。GASP細胞によるこのような増殖の自己制御への転向の結果、短期的にはより高い細胞密度が達成されるものの、長期的には共有地の悲劇により個体群の崩壊が起こる（図1）。一方、WT細胞はこのような高い個体群密度を達成しないものの、長期的には同じ密度で個体群が維持される。理論で予測されているように、^{[ 14 ]}マイクロ流体チップで実験的に実装されたような空間設定では、相互作用の局所化とチーターの空間的分離により、2 つの株の共存が可能になる。^{[ 15 ]}このような空間環境が与えられると、細菌は細胞凝集と分離の動的なパターンに自己組織化することができ、協力者である WT 細胞が協力の利益を得られることが保証される（図 2）。

Greig & Travisano (2004) は、酵母Saccharomyces cerevisiaeを用いた実験的研究でこれらの考えに取り組みました。^{[ 16 ]} S. cerevisiae は、細胞外でスクロースを消化するために分泌される酵素であるインベルターゼをそれぞれ生成する複数の遺伝子を持っています。前述のように、この公共財の生産は、個々の細胞が酵素を提供せずに近隣の細胞によって消化された糖を盗むことで不正を行う可能性を生み出します。Greig & Travisano (2004) は、協力者 (可能なすべてのインベルターゼ遺伝子を持つ) と比較して、不正者タイプ (インベルターゼ遺伝子の数が少ない) の適応度を測定しました。^{[ 16 ]}人口密度を変化させることでコミュニティ内の社会的相互作用のレベルを操作することにより、彼らは、社会性のレベルが低い場合は不正者の適応度が協力者よりも低いが、密度の高いコミュニティでは適応度が高いことを発見しました。したがって、彼らは「不正行為」に対する選択が、個体が持つインベルターゼ遺伝子の量に自然な変異を引き起こし、インベルターゼ遺伝子の変異は、協調的相互作用の不安定性に起因する、絶えず変化する生物環境への絶え間ない適応を反映していると提唱している。

2 つ目のタイプの協力的相互作用は利他的、つまり受け手に利益があるが行為者にはコストがかかる相互作用 (-/+) です。利他的行動の進化上の利点を正当化することは、非常に議論の多いトピックです。利他的行動が存在する一般的な正当化は、その行動が協力遺伝子を持つ他の個体に向けられているため、間接的な利益をもたらすというものです。^{[ 3 ]} 2 人の個体が共通の遺伝子を共有する最も単純で一般的な理由は、彼らが系譜上の親戚 (血縁者) であるためであり、そのためこれはしばしば血縁選択と呼ばれます。^{[ 17 ]}ハミルトンによれば、利他的行為から利益を得る個体の血縁度が、その行為が課すコスト/利益比よりも高い場合、利他的行為は進化的に有益です。この論理はハミルトンの法則と呼ばれています。

自然選択は通常、子孫がその遺伝子のコピーを共有するため、生殖を増加させる遺伝子を有利にする。しかし、遺伝子は、コピーを共有する他の親族を助ける場合にも有利になることがある。したがって、近親者の生殖を助けることで、個体は間接的ではあるが、自身の遺伝子を次の世代に伝えていることになる。ハミルトンは、血縁選択は2つのメカニズムによって起こり得ると指摘した。(a)血縁識別、協力が優先的に親族に向けられる場合、(b) 分散制限（個体群粘性）、親族同士が空間的に近接した状態を維持することで、協力がすべての近隣個体（親族である傾向がある）に無差別に向けられる場合。^{[ 3 ]}微生物系では、これら2つのメカニズムは同等に重要である。例えば、ほとんどの微生物集団は、少数のコロニー形成個体から始まることが多い。ほとんどの微生物は無性生殖を行うため、個体群が成長するにつれて、遺伝的に近縁な個体が細胞を取り囲むことになる。このようなクローン集団は、特に陸上系では、非常に高い密度になることが多い。したがって、細胞の利他的行動が近親者に利益をもたらす確率は極めて高い。

利他的行動は遺伝的近縁度の高い個体間で最もよく見られるが、必ずしも必要ではない。利他的行動は、共通の祖先によるものか他のメカニズムによるものかに関わらず、協力が対象となる遺伝子を共有する個体に向けられる場合、進化的にも有益となる可能性がある。^{[ 18 ]}この例として「緑のひげ」メカニズムが知られており、協力行動を引き起こし、かつ緑のひげのような特徴的な表現型マーカーによって他の個体に認識される単一の遺伝子（または密接に連鎖した複数の遺伝子）が必要となる。^{[ 3 ]}

この観点から最も研究されている粘菌は、土壌に広く生息する細菌の捕食者であるDictyostelium discoideum^{です。飢餓状態になると、通常は単独で存在する単細胞のアメーバが集合し、10 4}～^{10 6}個の細胞を含む多細胞の塊を形成します。この塊は土壌表面に移動し、胞子の球状の先端と、胞子を空中に保持する非生存性の柄細胞からなる柄で構成される子実体へと変化します (図 2)。細胞の約 20% が非生殖性の柄に発達し、胞子を持ち上げ、その散布を助けます。^{[ 19 ]}

プログラム細胞死（PCD）は、微生物の利他的行動のもう1つの形態として提案されている。プログラム細胞死（アポトーシスまたは自己溶解とも呼ばれる）は、直接的な適応上の利益を明らかに提供しないが、遺伝的近縁度の高い個体に間接的な利益を提供する場合（血縁選択）、進化的に適応的になり得る。PCDには、Saccharomyces cerevisiaeで他の細胞が成長や生存のために使用できるリソースを提供するなど、いくつかの利他的可能性が提案されている。^{[ 20 ] [ 21 ]} PCDの進化上の利益を説明するために血縁選択を使用することは一般的だが、その推論にはいくつかの固有の問題がある。Charlesworth（1978）は、自殺を引き起こす遺伝子が広がることは極めて困難であると指摘した。なぜなら、その遺伝子を共有しない近縁者だけが最終的に利益を得るからである。^{[ 22 ]}したがって、微生物におけるこの問題の考えられる解決策は、選択が、個体の状態、環境条件、またはシグナル伝達に応じて、多数の細胞集団の中で低い確率のPCDを有利にする可能性があるということである。

微生物にとって、協調的かつコミュニケーション的な相互作用の統合は極めて重要であるように思われます。例えば、緑膿菌の全遺伝子の 6〜10% は細胞間シグナル伝達システムによって制御されています。^{[ 23 ]}微生物がより高度な協調的相互作用に参加するために互いにコミュニケーションを取り、組織化する一つの方法は、クオラムセンシングです。クオラムセンシングとは、周囲の環境におけるシグナル伝達分子の蓄積によって、単一の細胞が個体数（細胞密度）を評価し、集団全体として協調的な応答を行うことができる現象を指します。この相互作用は細菌の分類群の間でかなり一般的であり、個々の細胞による「シグナル伝達」分子（オートインデューサーまたはフェロモンと呼ばれる）の分泌を伴います。これらの細菌は、シグナル伝達分子を特異的に検出できる受容体も持っています。インデューサーが受容体に結合すると、インデューサー合成のための遺伝子を含む特定の遺伝子の転写が活性化されます。細菌が自身の分泌した誘導物質を検出する可能性は低い。したがって、遺伝子転写を活性化するには、細胞は周囲の他の細胞が分泌するシグナル分子に遭遇する必要がある。同じ種類の細菌が近くに数個しかない場合、拡散によって周囲の培地中の誘導物質の濃度はほぼゼロに低下するため、細菌は誘導物質をほとんど生成しない。しかし、個体数が増加すると、誘導物質の濃度が閾値を超え、より多くの誘導物質が合成される。これにより正のフィードバックループが形成され、受容体が完全に活性化される。受容体の活性化は他の特定の遺伝子のアップレギュレーションを誘導し、すべての細胞がほぼ同時に転写を開始する。言い換えれば、これらの分子の局所濃度が閾値に達すると、細胞は特定の遺伝子をオンにすることで応答する。このようにして、個々の細胞は細菌の局所密度を感知し、個体群全体として協調的な応答を行うことができる。^{[ 24 ]}

多くの状況において、細菌細胞が行動を調整するために支払うコストは、協力者の数が十分でない限り、得られる利益を上回ります。例えば、ビブリオ・フィシェリが産生する生物発光ルシフェラーゼは、単一の細胞によって産生された場合、目に見えることはありません。クオラムセンシングを用いて、細胞集団が大きい状況でのみルシフェラーゼの産生を制限することで、ビブリオ・フィシェリ細胞は、無駄な産物の産生にエネルギーを浪費することを避けることができます。多くの状況において、前述の公共財の産生などの細菌活動は、十分な数の協力者による共同活動としてのみ価値があります。クオラムセンシングによる制御により、細胞は効果的な場合にのみ適切な行動をとることができ、低密度条件下では資源を節約できます。したがって、クオラムセンシングは、集団レベルで行動を調整するための細菌のコミュニケーションシステムとして解釈されています。

日和見細菌である緑膿菌も、クオラムセンシングを利用してバイオフィルムの形成、群泳運動、細胞外多糖の産生、および細胞凝集を調整します。^{[ 25 ]}これらの細菌は、ある濃度に達するまでは宿主を傷つけることなく宿主内で増殖できます。その後、細菌は攻撃的になり、その数は宿主の免疫系を克服するのに十分な数に達し、バイオフィルムを形成して宿主内で病気を引き起こします。細菌が周囲の変化に迅速に適応できるようにするもう1つの遺伝子制御の形態は、環境シグナル伝達によるものです。最近の研究では、嫌気性がクオラムセンシングの主要な制御回路に大きな影響を与える可能性があることが発見されました。クオラムセンシングと嫌気性の間のこの重要なつながりは、この生物の病原性因子の産生に大きな影響を与えます。^{[ 26 ]}シグナル伝達分子の治療的酵素分解により、このようなバイオフィルムの形成が阻止され、確立されたバイオフィルムが弱まることが期待されています。このようにシグナル伝達プロセスを阻害することは、クオラム阻害と呼ばれます。