マイクロバイオーム

マイクロバイオーム（古代ギリシャ語の μικρός (mikrós)  「小さい​​」とβίος (bíos)  「生命」に由来）は、通常、任意の生息地で共存している微生物のコミュニティです。1988年にWhippsらによってより正確に定義され、「明確な生化学的特性を持ち、十分に定義された生息地を占める特徴的な微生物コミュニティ。したがって、この用語は、関与する微生物を指すだけでなく、その活動領域も含みます」と定義されました。2020年に、国際的な専門家パネルがマイクロバイオームの定義に関する議論の結果を発表しました。彼らは、Whippsらによって最初に提供された「用語の簡潔で明確かつ包括的な説明」を復活させたマイクロバイオームの定義を提案しました。ただし、2つの説明段落が追加されており、最初の段落ではマイクロバイオームの動的な特徴を述べ、2番目の段落ではマイクロバイオータという用語とマイクロバイオームという用語を明確に区別しています。^[1]

微生物叢は、マイクロバイオームを形成するすべての生物から構成されます。ほとんどのマイクロバイオーム研究者は、細菌、古細菌、真菌、藻類、小型原生生物をマイクロバイオームのメンバーとみなすべきであることに同意しています。ファージ、ウイルス、プラスミド、可動性遺伝要素の統合は、より議論の余地があります。ホイップスの「活動の舞台」には、複雑な種間相互作用を仲介し、競争環境での生存を確保する上で二次代謝産物が果たす重要な役割が含まれます。小分子によって誘発されるクオラムセンシングにより、細菌は協力的な活動を制御でき、その表現型を生物環境に適応させ、たとえば細胞間接着やバイオフィルムの形成をもたらします。

すべての動物と植物は、原生生物、細菌、古細菌、真菌、ウイルスなどの微生物と共生関係を形成しています。海洋では、動物と微生物の関係は、歴史的に単一の宿主と共生するシステムで調査されていました。しかし、多様な海洋動物宿主と共生する微生物の多様性に関する新たな調査により、この分野は動物宿主と複数のメンバーからなるマイクロバイオームとの相互作用を扱う研究へと移行しています。マイクロバイオームが海洋動物の健康、生理、行動、生態に影響を及ぼす可能性は、海洋動物が変化に適応する方法に関する現在の理解を変える可能性があります。これは特に、すでに海洋に影響を及ぼしている、気候関連および人為的要因による変化の増加に当てはまります。植物マイクロバイオームは、植物の健康と食糧生産に重要な役割を果たしており、近年大きな注目を集めています。植物は、植物微生物叢と呼ばれる多様な微生物コンソーシアムと共生しており、植物組織の内側（内圏）と外側（外圏）の両方に生息しています。これらは植物の生態と生理において重要な役割を果たしています。中核植物マイクロバイオームには、植物の健康と植物全体生体の適応に不可欠なキーストーン微生物分類群が含まれていると考えられています。同様に、哺乳類の腸内マイクロバイオームは宿主生理の重要な調節因子として浮上しており、宿主と微生物の系統間の共進化は哺乳類が多様なライフスタイルに適応する上で重要な役割を果たしてきました。

マイクロバイオーム研究は、17世紀の微生物学で始まりました。新しい技術と機器の開発により、微生物学的研究が促進され、健康と病気の理解にパラダイムシフトが起こりました。^[2]最初の顕微鏡の開発により、新しい未知の世界が発見され、微生物の特定につながりました。感染症が最初の関心と研究の焦点となりました。しかし、病気や病原性と関連しているのは微生物のごく一部です。微生物の圧倒的多数は、健全な生態系の機能に不可欠であり、他の微生物や生物と有益な相互作用をすることで知られています。微生物が単一細胞として存在するという概念は、微生物が複雑な集合体の中に存在し、その中で種間の相互作用とコミュニケーションが重要であることがますます明らかになるにつれて、変化し始めました。DNAの発見、シーケンシング技術、PCR、クローニング技術の開発により、培養に依存しないアプローチを使用して微生物群集を調査できるようになりました。今世紀初頭にはさらなるパラダイムシフトが起こり、現在も続いています。新しいシーケンシング技術と蓄積された配列データにより、高等生物内で共生する微生物群集の遍在性と、人間、動物、植物の健康における微生物の重要な役割が明らかになり、微生物生態学に革命をもたらしました。ゲノムとメタゲノムをハイスループットで分析することで、自然生息地における個々の微生物と微生物群集全体の両方の機能を研究するための非常に効果的な方法を提供しています。

マイクロバイオーム研究は微生物学に端を発し、17世紀に始まりました。新しい技術と機器の開発により、微生物学研究が促進され、健康と病気の理解にパラダイムシフトが起こりました。感染症は歴史を通じて人類に影響を与えてきたため、医療微生物学は最も早くから研究と一般の関心の的となってきました。さらに、食品微生物学は古くから実証的な応用が行われている分野です。最初の顕微鏡の開発により、新しい未知の世界が発見され、微生物の特定につながりました。^[1]

• パラダイムシフト
• 
  微生物を病気を引き起こす非社会的生物とみなす考え方から、微生物を人間の生活のあらゆる領域を結びつけるワンヘルスコンセプトの中心とみなす全体論的な見方へのパラダイムシフト。^[1]

17世紀の研究者の目と心は、それまで見えなかった世界へのアクセスによって開かれた。アントニー・ファン・レーウェンフックは、主に水、泥、歯垢のサンプルから、さまざまな形の多様な細菌、菌類、原生動物（彼はこれを「微小動物」と呼んだ）を調査し、複雑なコミュニティ内で相互作用する微生物の最初の兆候としてバイオフィルムを発見した。ロバート・コッホによる、人間と動物の病気の起源が微生物感染の結果であるという説明と、病原性の概念の発展は、微生物学における重要なマイルストーンであった。これらの発見により、研究者コミュニティと一般大衆の焦点は、排除する必要のある病原体としての微生物の役割に移った。^[1]

しかし、過去 1 世紀にわたる包括的な研究により、病気や病原性と関連している微生物はごく一部であることがわかっています。微生物の圧倒的多数は生態系の機能に不可欠であり、他の微生物や大型生物との有益な相互作用で知られています。実際、健康なマイクロバイオームを維持することは人間の健康に不可欠であり、新しい治療法のターゲットになる可能性があります。^[3] 19 世紀末、微生物生態学はMartinus W. BeijerinckとSergei Winogradskyによる先駆的な研究から始まりました。新たに確立された環境微生物学の科学は、別のパラダイムシフトをもたらしました。微生物は自然環境のいたるところに存在し、多くの場合宿主と関連しており、初めて宿主に有益な効果が報告されました。^{[4] [5] [1]}

その後、微生物が単一細胞として存在するという概念は、微生物が複雑な集団内で存在し、種間の相互作用とコミュニケーションが個体群動態と機能活動に重要であることが明らかになるにつれて変化し始めました。^[6] DNAの発見、シーケンシング技術、PCR、クローニング技術の開発により、培養に依存しないDNAとRNAベースのアプローチを使用して微生物群集を調査できるようになりました。^{[7] [1]}

さらに重要なステップは、1977年にカール・ウーゼとジョージ・E・フォックスが微生物群集解析のために16S rRNA遺伝子などの系統マーカーを導入したことです。 ^[8]今日では、生物学者は、例えば16Sおよび18S rRNA遺伝子、内部転写スペーサー（ITS）、または特定の酵素をコードする遺伝子の特定の機能領域をターゲットにして、細菌、古細菌、真菌、藻類、原生生物をその自然の生息地でバーコード化することができます。^{[9] [10] [11] [1]}

今世紀初頭にもう一つの大きなパラダイムシフトが始まり、今日まで続いています。新しいシーケンシング技術と蓄積された配列データによって、高等生物内で共生する微生物群集の遍在性と、ヒト、動物、植物の健康における微生物の重要な役割が明らかになってきました。^{[12]これらの新しい可能性は}微生物生態学に革命をもたらしました。ゲノムとメタゲノムをハイスループットに分析することで、個々の微生物だけでなく、自然の生息地における群集全体の機能的可能性に取り組む効率的な方法が得られるからです。^{[13] [14]メタトランス} クリプトーム、メタプロテオーム、メタボロームアプローチなどのマルチオミクス技術により、環境中の微生物の活動に関する詳細な情報が得られるようになりました。豊富なデータ基盤に基づいて、過去30年間しばしば無視または過小評価されていた微生物の培養が新たな重要性を帯び、ハイスループットカルチュロミクスは現在、マイクロバイオームを研究するためのツールボックスの重要な部分となっています。複数の「オミクス」技術を組み合わせて宿主-微生物相互作用を解析することの大きな可能性と威力は、いくつかのレビューで強調されています。^{[15] [16] [1]}

マイクロバイオーム（ギリシャ語の「小さい」を意味する microと「生命」を意味するbíosに由来）という言葉は、1952年にJL MohrによってThe Scientific Monthly誌で特定の環境に生息する微生物を意味するために初めて使用されました。^{[59] [60]}

微生物群集は、一般的に共存する微生物の集合体として定義されてきた。より具体的には、微生物群集は、連続した環境で（微小）生物が相互に作用する多種の集合体として定義される。 ^[61] 1988年、根圏微生物の生態学に取り組んでいたウィップスとその同僚は、マイクロバイオームという用語の最初の定義を提示した。^{[62]彼らは、マイクロバイオームを}マイクロ（微小）とバイオーム（生物群）を組み合わせた言葉として説明し、「明確な生理化学的特性を持つ、十分に明確に定義された生息地」にある「特徴的な微生物群集」を「活動領域」と名付けた。この定義は、明確な特性と機能を持つ微生物群集と、環境との相互作用によって特定の生態学的地位が形成されることを定義しており、微生物群集の定義を大幅に前進させたものである。^[1]

しかし、ここ数十年でマイクロバイオームに関する他の多くの定義が発表されています。2020年までに最も引用された定義はLederbergによるもので、^[63]生態学的文脈におけるマイクロバイオームを、体内や他の環境内の片利共生微生物、共生微生物、病原微生物のコミュニティとして説明しています。MarchesiとRavelは、定義において、特定の環境とその環境における生物的および非生物的条件におけるゲノムと微生物（およびウイルス）遺伝子発現パターンとプロテオームに焦点を当てました。[ 64 ]これらの^定義はすべて、マクロ生態学の一般的な概念が微生物間だけでなく微生物と宿主の相互作用にも簡単に適用できることを示唆しています。しかし、マクロ真核生物のために開発されたこれらの概念が、休眠、表現型の多様性、水平遺伝子伝播^[65]に関する異なるライフスタイルを持つ原核生物、さらには微小真核生物にどの程度適用できるかは、はっきりしていません。このため、特に微生物同士および宿主の生物的および非生物的環境との相互作用の多様な階層に関連して、マイクロバイオーム生態学のためのまったく新しい概念的生態学モデルと理論を検討するという課題が生じます。現在の定義の多くはこの複雑さを捉えておらず、マイクロバイオームという用語は微生物のゲノムのみを含むものとして説明されています。^[1]

2020年、EUが資金提供しているMicrobiomeSupportプロジェクト^[76]が組織した国際専門家パネルが、マイクロバイオームの定義に関する審議の結果を発表しました。^[1]このパネルは、さまざまなマイクロバイオーム分野の約40人のリーダーで構成され、さらに世界中から約100人の専門家がオンライン調査を通じて貢献しました。彼らは、1988年にWhippsらによって最初に提供された「用語の簡潔で明確で包括的な説明」と彼らが特徴づけた定義を復活させ、 ^[62]その後の技術開発と研究結果を考慮した一連の推奨事項を修正したマイクロバイオームの定義を提案しました。彼らはマイクロバイオームとマイクロバイオータという用語を明確に区別し、マイクロバイオータの構成、時間と空間におけるマイクロバイオームの異質性とダイナミクス、微生物ネットワークの安定性と回復力、コアマイクロバイオームの定義、機能的に関連するキーストーン種、マイクロバイオーム内の微生物と宿主および種間の相互作用の共進化原理を考慮した包括的な議論を提供しています。^[1]

パネルは、1988年の発表から30年経った今でも有効な重要なポイントをすべて含むWhippsらによる定義を、マイクロバイオームとマイクロバイオータという用語を区別し、その動的な特徴を強調する2つの説明段落で次のように拡張しました。

• マイクロバイオームは、明確な生化学的特性を持ち、適度に定義された生息地を占める特徴的な微生物群集として定義されます。マイクロバイオームは、関与する微生物を指すだけでなく、特定の生態学的地位の形成につながる活動領域も含みます。時間や規模に応じて変化する傾向のある動的で相互作用的なマイクロエコシステムを形成するマイクロバイオームは、真核生物宿主を含むマクロエコシステムに組み込まれており、真核生物宿主の機能と健康にとって非常に重要です。^[1]

• 微生物叢は、異なる界（原核生物（細菌、古細菌）、真核生物（藻類、原生動物、真菌など）に属する微生物の集合体で構成されており、「その活動領域」には、微生物構造、代謝産物、可動性遺伝要素（トランスポゾン、ファージ、ウイルスなど）、および生息地の環境条件に埋め込まれた遺物DNAが含まれます。^[1]

微生物叢は、マイクロバイオームを形成するすべての生物から構成されます。ほとんどのマイクロバイオーム研究者は、細菌、古細菌、真菌、藻類、小型原生生物をマイクロバイオームのメンバーと見なすべきであることに同意しています。^{[64] [1]}ファージ、ウイルス、プラスミド、可動性遺伝要素の統合は、マイクロバイオームの定義においてより議論の多い問題です。また、死細胞に由来する細胞外 DNA、いわゆる「レリック DNA」がマイクロバイオームに属するかどうかについても明確なコンセンサスはありません。^{[77] [1]}レリック DNA は、土壌中の配列決定された DNA の最大 40% を占める可能性があり、^[78]生息地のより広範な分析では、平均して細菌 DNA 全体の最大 33% を占め、一部のサンプルでは 80% という高い割合でした。^[79]レリック DNA は遍在的で豊富であるにもかかわらず、分類学的および系統学的多様性の推定に最小限の影響しか与えませんでした。^{[79] [1]}

特定の用語の使用に関しては、マイクロバイオームとマイクロバイオータを明確に区別することで、マイクロバイオームの構成員に関する論争を避けることができます。^[1]マイクロバイオータは通常、特定の環境に存在する生きた微生物の集合体として定義されます。^[64]ファージ、ウイルス、プラスミド、プリオン、ウイロイド、遊離DNAは通常、生きた微生物とは見なされないため、^[80]マイクロバイオータには属しません。^[1]

マイクロバイオームという用語は、もともとウィップスと同僚によって提唱されたように^[62]、微生物のコミュニティだけでなく、その「活動領域」も含んでいます。後者は、微生物によって生成される分子の全範囲を含み、その構造要素 (核酸、タンパク質、脂質、多糖類)、代謝物 (シグナル伝達分子、毒素、有機分子、無機分子)、共存する宿主によって生成され、周囲の環境条件によって構造化された分子を含みます。したがって、ファージ、ウイルス、および「遺物」や細胞外 DNA などのすべての可動性遺伝要素は、マイクロバイオームという用語に含まれるべきですが、微生物叢の一部ではありません。マイクロバイオームという用語は、メタゲノムと混同されることもあります。ただし、メタゲノムは、微生物叢のメンバーからのゲノムと遺伝子のコレクションとして明確に定義されています。^{[64] [1]}

マイクロバイオーム研究では、特定の微生物群の挙動に焦点を当てる場合があり、一般的には明確な仮説に関連して、または明確な仮説によって正当化される。バクテリオム、アーキオム、マイコバイオーム、またはヴィロームなどの用語が科学文献にますます多く登場し始めているが、これらの用語はバイオーム（（微）生物の明確な集合と、特定の気候や土壌を反映することが多い物理的環境を持つ地域生態系）をマイクロバイオーム自体として指すものではない。^[1]したがって、元の用語（細菌、古細菌、または真菌のコミュニティ）を使用する方が適切であろう。個別に研究できる微生物群とは対照的に、マイクロバイオームは常にすべてのメンバーで構成され、それらは互いに相互作用し、同じ生息地に住み、一緒に生態学的ニッチを形成します。よく知られているヴィロームという用語は、ウイルスとゲノムに由来し、特定の生態系またはホロバイオントに関連する核酸のコレクションで構成されるウイルスショットガンメタゲノムを説明するために使用される。^[81]ウイルスメタゲノムは意味的にも科学的にもより良い用語として提案される可能性がある。^[1]

• 
  共起ネットワークは微生物の相互作用を視覚化するのに役立ちます
  。ノードは通常、微生物の分類群を表し、エッジはノード間の統計的に有意な関連性を表します。 ^[1]
  –––––––––––––––––––––––––––––––––
  微生物の相互作用を包括的に研究するには、ネットワーク分析から得られた仮説を検証する必要があります。 ^[1]

微生物は互いに相互作用し、これらの共生的相互作用は、微生物の適応度、個体群動態、マイクロバイオーム内の機能的能力に多様な影響を及ぼします。^[82]微生物の相互作用は、同じ種の微生物間で起こることもあれば、異なる種、属、科、生命の領域間で起こることもあります。相互作用は、正、負、中立のタイプに分けることができます。正の相互作用には、共生、相乗、片利共生が含まれます。負の相互作用には、無利子、捕食、寄生、拮抗、競争が含まれます。中立的な相互作用は、相互作用する種の微生物の生命戦略の概念の機能的能力や適応度に影響が観察されない相互作用です。^[83]

• 
  共起ネットワークは草食シクリッドと肉食シクリッド
  の腸内細菌叢の違いを示している。門ごとに色分けされたノード。草食動物ネットワーク（156ノード、339エッジ）は肉食動物ネットワーク（21ノード、70エッジ）と比較して複雑性が高い。^[84]

微生物叢はそれぞれ異なる適応戦略を示す。^[1] 貧栄養生物は、特に炭素などの栄養素が非常に少ない環境でも生息できる生物である。貧栄養生物は成長が遅く、代謝率が低く、一般的に個体密度が低いのが特徴である。貧栄養環境には、深海堆積物、洞窟、氷河や極地の氷、深層地下土、帯水層、海水、浸出土壌などがある。対照的に、重栄養生物は炭素濃度がはるかに高い環境でも繁殖し、下水ラグーンなどの有機基質が多い条件でもよく育つ。^{[85] [86]}

寡栄養戦略家と共栄養戦略家に加えて、競争者-ストレス耐性者-ルーデラルの枠組みが相互作用の結果に影響を与える可能性があります。^{[87]たとえば、同じ供給源をめぐって競合する微生物は、異なる}栄養段階で同じ化合物をめぐって競合するときにも互いに利益を得ることができます。複雑な微生物生態系の安定性は、異なる濃度レベルでの同じ基質に対する栄養相互作用に依存します。 2020年現在、自然界における微生物の社会的適応は十分に研究されていません。^[1]ここで、分子マーカーは、例えばネイティブマイクロバイオームの利他主義者と詐欺師の理論をサポートすることにより、社会的適応への洞察を提供することができます。 ^{[88] [1]}

• 微生物と宿主の共進化に関する理解の変化
• 
  「分離」理論から全体論的アプローチへ

  全体論的アプローチでは、宿主とそれに関連する微生物叢は互いに共進化してきたと想定される ^[1]

「分離」アプローチによれば、微生物は宿主との相互作用に応じて、病原体、中立、共生生物に分類できます。宿主とそれに関連する微生物叢の共進化は、それに応じて拮抗的（負の相互作用に基づく）または共生的（正の相互作用に基づく）として説明できます。^{[1] [89]}

2020年現在、日和見病原体と病原共生菌に関する出版物の出現により、共進化理論における全体論的アプローチへのシフトが生まれています。全体論的アプローチでは、宿主とその関連微生物叢を1つのユニット（いわゆるホロビオント）と見なし、1つの実体として共進化します。全体論的アプローチによると、ホロビオントの病状は、腸内細菌叢の不均衡、関連微生物叢の多様性の低さ、およびそれらの変動性、いわゆる病原バイオーム状態に関連しています。一方、健康状態は、それぞれの微生物叢の正常、多様性の高さ、均一性を伴います。^[1]

• 海洋動物の宿主と微生物叢の関係
• 
  人間関係は一般的に共生関係にあると考えられており、通常は環境要因や動物特有の要因にさらされ、自然な変化を引き起こす可能性があります。いくつかの出来事は、関係を機能しているが変化した共生関係に変えることがありますが、極度のストレスイベントは、細菌叢の乱れや関係や相互作用の崩壊を引き起こす可能性があります。^[90]

地球上のすべての動物は、原生生物、細菌、古細菌、真菌、ウイルスなどの微生物と共生関係を築いています。海洋では、動物と微生物の関係は、歴史的に単一の宿主と共生するシステムで研究されてきました。しかし、多様な海洋動物の宿主と共生する微生物の多様性に関する新たな研究により、この分野は動物の宿主とより多元的な微生物叢との相互作用を扱う研究へと移行しています。微生物叢が海洋動物の健康、生理、行動、生態に影響を及ぼす可能性は、海洋動物が変化、特に海洋環境にすでに影響を及ぼしている気候関連および人為的変化にどのように適応するかについての現在の理解を変える可能性があります。^[90]

^{現在、海綿動物[91]}や有櫛動物^[92]などの単純な生物から、ホヤ^[93]やサメ[94]などのより複雑な生物まで、多様な海洋動物のマイクロバイオームが研究されています。^{[90 ]}

ハワイのダンゴイカと発光細菌Aliivibrio fischeriとの関係は、海で最もよく研​​究されている共生関係の一つであり、一般的な共生研究のための選択システムです。この関係は、動物と微生物の共生における基本的なプロセス、特に宿主と細菌間の生化学的相互作用とシグナル伝達についての洞察を提供してきました。^{[95] [96] [90]}

腸のない海洋貧毛類のOlavius algarvensisも、比較的よく研究されている微生物の海洋宿主である。この体長3センチメートルの虫は、地中海の浅い海洋堆積物の中に生息している。この虫には口も消化器系も排泄器官もないが、環境中に存在する硫黄を協調的に利用して生息する一連の細胞外細菌共生生物の助けを借りて栄養を得ている。^[97]このシステムは、最も洗練されたオミクスおよび可視化ツールの恩恵を受けている。^[98]たとえば、マルチラベルプローブ法によってマイクロバイオームの可視化が改善されており^[99]、トランスクリプトミクスとプロテオミクスは、宿主と微生物間のエネルギー移動^[100]や虫の自然免疫系によるコンソーシアムの認識など、宿主とマイクロバイオームの相互作用を調べるために適用されている。^[101]このシステムの最大の強みは、多様性の低い微生物コンソーシアムで宿主と微生物叢の相互作用を研究する能力を提供し、また、多数の宿主と微生物のゲノムリソースも提供していることです。^{[98] [102] [90]}

サンゴは 、微細藻類との共生が不均衡に変わり、白化として目に見えて検出される動物宿主のより一般的な例の1つです。サンゴのマイクロバイオームはさまざまな研究で調査されており、海洋環境の変化、特に温度、光、無機栄養素が、微細藻類の共生生物の豊富さと働き、および宿主の石灰化と生理にどのように影響するかを示しています。 ^{[104] [105]}研究では、常在細菌、古細菌、真菌もサンゴ内の栄養素と有機物の循環に寄与していることが示唆されており、ウイルスもこれらのメンバーの構成を構築する役割を果たしている可能性があり、マルチドメインの海洋動物共生を初めて垣間見ることができます。^[106]ガンマプロテオバクテリアのエンド ゾイコモナスは、そのライフスタイルに柔軟性があり、サンゴのマイクロバイオームの中心的なメンバーとして浮上しています。^{[103] [107]}近年サンゴ礁で大規模な白化現象が発生していることを考えると、^[108]サンゴは今後も共生と不協和の研究に有用かつ人気のあるシステムであり続けるだろう。^[90]

海綿動物は多様な海洋底生生物生息地の一般的なメンバーであり、その豊富さと大量の海水をろ過する能力により、これらの生物が海洋の底生および浮遊プロセスに影響を与える上で重要な役割を果たしているという認識が広まっています。^[109]海綿動物は最も古い系統の1つであり、細菌、古細菌、藻類原生生物、真菌、ウイルスと一般的に関連する比較的単純な体制を持っています。^[110]海綿動物のマイクロバイオームはスペシャリストとジェネラリストで構成されており、そのマイクロバイオームの複雑さは宿主の系統発生によって形作られているようです。^[111]研究では、海綿動物のマイクロバイオームが海洋の窒素循環に寄与しており、特に古細菌と細菌によるアンモニアの酸化を通じて寄与していることが示されています。^{[112] [113]}最近では、熱帯海綿動物の微生物共生菌がポリリン酸顆粒を生成し貯蔵することが示されており、^[114]おそらく、貧栄養海洋環境でのリン酸枯渇期を宿主が生き延びることを可能にしている。 ^{[115]一部の海綿動物種の微生物叢は、気温[116]}や海洋酸性化^{[117] [118]}などの環境条件の変化や相乗効果に応じて、群集構造を変化させているように見える。^[119]

• 
  ヘリコプタードローンを使用して シロナガスクジラの噴気孔のサンプルを採取する^[120]
• 
  クジラの噴気、空気、海水サンプルから得られた細菌クラスの相対的豊富さ。^[121]

クジラ目のマイクロバイオームは、微生物サンプルの入手が難しいため、評価が難しい場合があります。たとえば、多くのクジラの種は希少で、深く潜ります。クジラ目の腸内マイクロバイオームをサンプリングするには、さまざまな技術があります。最も一般的なのは、環境から糞便サンプルを収集し、汚染されていない中心部からプローブを採取することです。^[122] 皮膚は、海洋哺乳類を外界から保護するバリアです。皮膚の表皮マイクロバイオームは、動物の健康状態を示す指標であり、周囲の環境の状態を示す生態学的指標でもあります。海洋哺乳類の皮膚のマイクロバイオームが通常の条件下でどのように見えるかを知ることで、これらのコミュニティが海で見つかる自由微生物コミュニティとどのように異なるかを理解できます。^[123] クジラ目は、さまざまな病気にかかりやすくなる複数のストレス要因の影響を受けているため、危険にさらされています。気道感染症に対する感受性が高いことが知られていますが、呼吸器マイクロバイオームについてはほとんどわかっていません。クジラ目の呼気または「ブロー」を採取することで、健康状態を評価できます。ブローは、気道の内壁に由来する脂質、タンパク質、細胞残骸などの微生物と有機物の混合物で構成されており、比較的冷たい屋外の空気中に放出されると凝縮して目に見える蒸気の塊を形成し、収集できます。呼気サンプルを収集する方法はさまざまですが、最も新しい方法の 1 つは、空中ドローンを使用する方法です。この方法は、動物相と植物相をモニタリングするためのより安全で、より静かで、より侵襲性の低い代替手段であり、多くの場合、費用対効果の高いオプションです。ブローサンプルは研究室に持ち込まれ、呼吸器官の微生物叢が増幅され、配列が決定されます。空中ドローンの使用は、泳ぐ速度が遅く、ブローのサイズが大きいため、大型クジラ目でより効果的です。^{[124] [125] [120] [126]}

• 
  植物生態系におけるマイクロバイオーム ^[127]

植物マイクロバイオームは植物の健康と食糧生産に役割を果たしており、近年大きな注目を集めています。^{[128] [129]植物は多様な}微生物群と共存しています。これらの微生物は植物の微生物叢と呼ばれ、植物組織の内側（内圏）と外側（外圏）の両方に生息し、植物の生態と生理に重要な役割を果たしています。^[130]「コア植物マイクロバイオームは、植物の適応にとって重要であり、植物ホロバイオントの適応に必須の機能遺伝子を含む微生物分類群の選択と濃縮の進化メカニズムを通じて確立されたキーストーン微生物分類群で構成されていると考えられています。」^[131]

植物のマイクロバイオームは、遺伝子型、器官、種、健康状態などの植物自体に関連する要因と、管理、土地利用、気候などの植物の環境に関連する要因の両方によって形成されます。^[132]いくつかの研究では、植物の健康状態はマイクロバイオームに反映されているか、または関連していると報告されています。^{[133] [128] [134] [129]}

植物および植物関連微生物叢は、植物組織の表面および内部のさまざまなニッチに定着します。地上部の植物部分はすべて葉圏と呼ばれ、紫外線（UV）放射と変化する気候条件により、継続的に進化する生息地です。主に葉で構成されています。地下部の植物部分、主に根は、一般に土壌の性質の影響を受けます。有害な相互作用は、一部の微生物叢メンバーの病原性活動を通じて植物の成長に影響を与えます。一方、有益な微生物相互作用は植物の成長を促進します。^[127]

• 
  動物腸内微生物叢データの主座標分析 ^[135]

哺乳類の腸内微生物叢は宿主生理の重要な調節因子として浮上しており^[136]、宿主と微生物の系統間の共進化は哺乳類が多様なライフスタイルに適応する上で重要な役割を果たしてきた。食生活、特に草食は、哺乳類の微生物多様性の重要な相関関係にある。^{[137] [138]}哺乳類の微生物叢のほとんどは、食生活の大きな変化にもかかわらず、宿主の系統発生とも強く相関している。 ^{[137] [139] [140] [141]}これは、腸内生理など宿主の系統発生によって変化する宿主因子が、哺乳類全体の腸内微生物叢の構造化に重要な役割を果たしていることを示唆している。脊椎動物の適応免疫系は、共生恒常性を選択的に維持するためのまさにそのような因子として進化したとさえ推測されている。^{[142] [135]}

系統発生と相関する因子が脊椎動物のマイクロバイオームの多様性に及ぼす一般的な影響はまだよくわかっていない。系統共生、つまり近縁の宿主種ほどマイクロバイオームが類似しているという観察は、多くの非哺乳類分類群で報告されている。^{[143] [ 144 ] [146]}他の解析では、哺乳類分類群間で系統共生シグナルにかなりのばらつきがあることが明らかになっており、^[147]時には矛盾する結果も出ている。^{[148] [149]}強力な系統共生相関が存在するということは、宿主因子が微生物の集合を制御していることを意味する。具体的なメカニズムが不明であっても、宿主の系統発生全体にわたる測定可能な系統共生シグナルの強さや存在のばらつきは、比較研究を通じてそのようなメカニズムを特定するのに役立つ可能性がある。しかし、2020年現在、ほとんどの研究は一度に少数の分類群に焦点を当てており、マイクロバイオームの調査と系統共生および宿主特異性（または微生物の特定の宿主系統への制限）の測定の両方の方法が変動しているため、一般化が困難になっています。^[135]

より広範な進化の文脈がなければ、宿主と微生物の系統共生のパターンが実際にどれほど普遍的に保存されているかは不明である。哺乳類で特定された強いパターンは脊椎動物では例外であり、規則ではないことを示す証拠が増えている。魚類 ^[150]と鳥類 ^[151]のメタ分析では、哺乳類で報告されている食事と系統発生との相関の強さを検出できなかった。100 種を超える脊椎動物のサンプルの最近の分析でも、系統発生の相関の強さは鳥類、爬虫類、両生類、魚類よりも哺乳類の方がはるかに高いことがわかった。^[152]脊椎動物以外の動物では、宿主と共生コミュニティとの関係の基本的な側面が分類群間で大幅に変わる可能性があることがますます認識されている。多くの昆虫は主要な代謝産物を微生物に完全に依存しているが、他の昆虫は腸内常在微生物を欠いているようだ。^{[153] [135]}

ヒトマイクロバイオームとは、ヒトの組織や体液上または内部に存在するすべての微生物叢と、それらが存在する対応する解剖学的部位の集合体であり、^[154]皮膚、乳腺、精液、子宮、卵胞、肺、唾液、口腔粘膜、結膜、胆道、消化管などが含まれます。ヒトマイクロバイオームの種類には、細菌、古細菌、真菌、原生生物、ウイルスなどがあります。微小動物も人体上で生息できますが、通常はこの定義から除外されます。ゲノミクスの文脈では、ヒトマイクロバイオームという用語は、常在微生物の集合ゲノムを指すために使用されることがあります。 ^[155]ヒトメタゲノムという用語は同じ意味を持ちます。^[154]

ヒトは多くの微生物に定着しており、非ヒト細胞はヒト細胞とほぼ同じ桁数である。^[156]ヒトに定着する微生物の中には、ヒトに害も利益も与えずに共存する片利共生微生物もあれば、ヒト宿主と相利共生関係にある微生物もある。 ^{[155] : 700  [157]}逆に、病原性のない微生物の中には、トリメチルアミンなどの代謝産物を介してヒト宿主に害を及ぼすものもあり、ヒトの体はこれをFMO3を介した酸化によってトリメチルアミンN-オキシドに変換する。 ^{[158] [159]}特定の微生物はヒト宿主にとって有用であることが知られている役割を果たすが、その大部分の役割はよくわかっていない。存在することが予想され、通常の状況下では病気を引き起こさないものは、正常菌叢または正常微生物群とみなされることがある。^[155]

ヒトマイクロバイオームプロジェクト（HMP）は、ヒトの微生物叢のゲノム配列を解読するプロジェクトに着手し、特に皮膚、口、鼻、消化管、膣に生息する微生物叢に焦点を当てました。^[155] 2012年に最初の結果が発表され、大きな節目を迎えました。^[160]

現在マイクロバイオームを研究するために利用可能な方法、いわゆるマルチオミクスは、ハイスループット分離（カルチュロミクス）と可視化（顕微鏡検査）から、分類学的構成のターゲティング（メタバーコーディング）、または代謝ポテンシャルへの対応（機能遺伝子のメタバーコーディング、メタゲノミクス）から微生物の活動の分析（メタトランスクリプトミクス、メタプロテオミクス、メタボロミクス）まで多岐にわたります。メタゲノムデータに基づいて、微生物ゲノムを再構築できます。最初はメタゲノムアセンブルされたゲノムが環境サンプルから再構築されましたが、^[161]近年、数千の細菌ゲノムが、その背後にある生物を培養することなくビニングされました。たとえば、2019年には、9,428のメタゲノムから世界中のヒトマイクロバイオームの154,723の微生物ゲノムが再構築されました。^{[162] [1]}

• 微生物の機能を評価する方法
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  微生物の機能を評価する方法

  複雑なマイクロバイオーム研究は、完全な微生物細胞のレベル（顕微鏡法、カルチュロミクス）から始まり、DNA（単細胞ゲノミクス、メタバーコーディング、メタゲノミクス）、RNA（メタトランスクリプトミクス）、タンパク質（メタプロテオミクス）、代謝物（メタボロミクス）と、さまざまな領域をカバーしています。この順序で、研究の焦点は、微生物の可能性（特定の生息地で利用可能な微生物叢についての学習）から代謝の可能性（利用可能な遺伝物質の解読）を経て、微生物の機能（活性代謝経路の発見など）へと移ります。^[1]

マイクロバイオームの計算モデル化は、マルチオミクスデータを利用して複雑な種間および宿主種間のダイナミクスを予測することにより、微生物の機能を調査するための実験的方法を補完するために使用されてきました。 ^{[163] [164]}一般的なシミュレーション手法は、コミュニティ内に存在する微生物分類群の代謝ネットワークモデルを組み合わせ、フラックスバランス分析などの数学的モデリング戦略を使用して、分類群およびコミュニティレベルで微生物コミュニティの代謝機能を予測することです。^{[165] [166]}

2020年現在、一方ではマイクロバイオームDNA配列データの膨大な利用可能性と、他方では遺伝子機能のメタゲノム予測を確認するために必要な微生物分離株の利用可能性が限られていることとの間のリンクが欠落しているため、理解はまだ限られています。 ^[1]メタゲノムデータは新しい予測の場を提供しますが、配列と厳密な機能予測との間のリンクを強化するには、さらに多くのデータが必要です。これは、1つのアミノ酸残基を別のアミノ酸残基に置き換えると根本的な機能変化につながり、特定の遺伝子配列に誤った機能割り当てが生じる可能性があることを考えると明らかです。 ^[167]さらに、メタゲノム解析から得られる未知の配列の大部分を特定するには、新しい株の培養が必要です。十分に研究されていない生態系では、その割合は70％を超える場合があります。適用される方法によっては、十分に研究されたマイクロバイオームであっても、完全に配列決定された微生物ゲノムの注釈付き遺伝子の40～70％には、既知または予測された機能がありません。^[168] 2019年時点で、当時設立されていた118門のうち85門では1種も記載されておらず、原核生物の機能的多様性を理解する上で課題となっている。^{[169] [1]}

原核生物の門の数は数百に達する可能性があり、古細菌の門は最も研究されていない門の1つです。^[169]純粋培養された細菌と古細菌の多様性と分子生物学的手法で検出された多様性との間のギャップが拡大していることから、主に配列情報に基づいて、まだ培養されていない分類群の正式な命名法を確立するという提案がなされました。 ^{[170] [171]この提案によれば、} Candidatus種の概念は密接に関連したゲノム配列のグループにまで拡張され、それらの名前は細菌命名法の確立された規則に従って公表されることになります。^[1]

各マイクロバイオームシステムは、微生物の培養可能性、微生物と宿主の遺伝的扱いやすさ（該当する場合）、実験室環境でシステムを維持する能力、宿主/環境を無菌にする能力に基づいて、さまざまな種類の質問に対処するのに適しています。^[172]

• 根底にある複雑さ
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  実験上の疑問とマイクロバイオームシステムの複雑性との間のトレードオフ ^[172]
  (A) 土壌細菌である枯草菌と放線菌のペアワイズ相互作用は、微生物相互作用における二次代謝産物の機能の特徴づけに適しています。 (B)ダンゴイカと海洋細菌Aliivibrio fischeri
  の共生は、コロニー形成に影響を与える宿主と微生物の要因を理解する上で重要です。 (C)ノトバイオートマウスの使用は、宿主の食事とコミュニティ内の特定の微生物分類群への影響との関連を明らかにするために重要です。^[172]
  

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