TSUKUBA FUTURE #119：一つひとつの細胞が放つ光を識別する
生命環境系 八幡 穣 助教
地球上で一番最初に现れた生命は微生物です。数々の地球环境の激変を乗り越え、その诞生から约38亿年を経た现在も、絶灭することなく生き続けています。目には见えませんが、あらゆる场所に文字通り、数え切れないほどたくさんの种类の微生物がいて、地球环境を维持する上で重要な役割を果たしています。私たち人类は、その存在すら知らなかった太古の昔から、食品を発酵させたり感染症に苦しんだりしながら、微生物と付き合ってきました。しかし実际に、微生物がどこでどんなふうに活动しているのか、どんな能力を持っているのか、まだまだわかっていないことばかり。微生物を一细胞単位で定量的に観察し、その性质を明らかにしようというのが、八幡さんの研究です。
微生物の性质を细胞ごとに知るための指标として、八幡さんは「自家蛍光」に着目しました。自家蛍光は、人间も含め、どんな生物の细胞にもある性质で、细胞内部の构成や特徴を反映することから、细胞にダメージを与えずに、生きたまま诊断できる手法として、近年、注目されています。同じ种类の微生物でも、状态によって个体（细胞）ごとに异なる光が放たれますが、微生物はたくさんの个体の集団（バイオフィルム）として存在しているため、これまでは、自家蛍光を测定しても、集団の平均値としてしか検出することができませんでした。そこで八幡さんは、超高感度の共焦点顕微镜技术と画像処理技术を组み合わせ、集団内の细胞一つひとつの自家蛍光を解析し、集団の中のどの位置に、どのような自家蛍光を持つ细胞がいるかを、データベース化するシステムを开発しました。さらに、础滨（人工知能）の机械学习モデルを导入し、それぞれの细胞の性质を予测することも可能にしました。これにより、たくさんの种类の微生物が共存する集団の中から、特定の性质を持つものをスクリーニングしたり、大量培养しなくてもその性质や状态を予测することができます。微生物の応用においては、人间にとって望ましい能力を持ったものだけを集めることが必要。このシステムは、そのニーズに応えるものでもあります。
微生物は意外と繊细。きちんと分析するには、まずよく観察して仲良くなることが大事
学生の顷から微生物を扱ってきた八幡さん。研究活动は农学分野で始まりました。农学は、生物学と工学が一体となって、実学として発展してきた歴史があります。ですから、生物の研究に础滨も含めたロボティクスを取り入れるという発想は、ごく自然に得られたと言います。人间とは全く异なる环境やスケールで生きている微生物を、高い精度で観察し理解するためには、画像解析やビッグデータといったツールは不可欠。最近は、高度な専门知识がなくても、そういったテクノロジーを利用しやすくなっているので、その道のエキスパートとのコラボも含め、违った分野に足を踏み入れることに踌躇はありません。
微生物は、环境に合わせて柔软に遗伝的性质を変えていきます。単细胞という形は保ちながらも、その中身はどんどん进化しています。人间や他の生物がいなくても困ることはありませんが、様々な环境要因には敏感に反応します。そういったセンシング能力は极めて広范囲に渡っていて、种类によっては、光や特定の化合物を感知したり、磁力を検知して移动するもの、人间にとって有用な物质を产生するものもあります。微生物にとっては、周囲の环境に适応しているだけかもしれませんが、そのちょっとした挙动の変化が、地球上の物质循环に影响を及ぼし、巡り巡って地球环境を変えてしまう可能性を考えると、微生物は最も重要な生物だということもできるのです。
筑波大学では「集団微生物プロジェクト」という、微生物をいろいろな観点から研究する大きなプロジェクトが进められており、八幡さんもそのメンバーです。このプロジェクトを通して、微生物の生态が少しずつ解明されてきましたが、新しいことがわかるほど、もっと知りたいことが出てきます。そのときに、分析装置を自分のアイデアで设计することが、ユニークな研究を生み出します。八幡さんの実験室には、微生物の培养や観察のための机器类の他に、3顿プリンタやレーザー加工机なども并んでいて、工作も研究の大事な要素です。いつか、自分で作った分析手法を持って研究室を飞び出し、世界中の微生物の行动や性质を调べてみたい、その思いを秘めて、今日も微生物を见つめます。
肠内细菌や病原菌など、実は驯染み深い微生物だが、
そのことを认识する人は少ない。微生物の面白さをもっと知ってもらいたいと语る
文責：広報室 サイエンスコミュニケーター