大腸菌は、私たちの腸内に生息する代表的な細菌です。大腸菌は、ヒトに病気を引き起こすタイプもいれば、ヒトの健康に役立つタイプもいます。研究者たちは、大腸菌がどのようにして新しい能力を獲得し、環境に適応していくのかに興味を持っていました。

大腸菌の新しい能力の獲得には、主に2つの方法があります。1つは、突然変異によって新しい遺伝子が生まれる方法。もう1つは、他の細菌からウイルスなどを介して新しい遺伝子を受け取る方法です。今回の研究では、後者の方法、つまり「遺伝子の水平伝播」に着目しました。

研究チームは、コンピューターを使って2000以上の大腸菌のゲノム（全遺伝情報）を比較分析しました。すると、ある遺伝子が大腸菌のゲノムに入ってくると、他の特定の遺伝子も一緒に入ってきやすい、あるいは排除されやすいことが分かりました。例えば、ある抗生物質への耐性遺伝子が入ってくると、別の抗生物質への耐性遺伝子も一緒に入ってくる確率が高いといった具合です。

研究者たちは、遺伝子どうしのこのような関係を、生態系のつながりになぞらえて説明しています。生態系では、異なる生物種の間に、お互いに利益を与え合う「共生関係」や、片方が一方的に利益を受ける「片利共生関係」などが見られます。大腸菌のゲノムの中でも、遺伝子の間に似たような関係があるというわけです。

驚くべきことに、このような遺伝子間の関係は、大腸菌の種の中で繰り返し観察されました。これは、遺伝子の組み合わせに、偶然だけでは説明できないパターンがあることを示唆しています。研究チームは、大腸菌のゲノム全体を一つの生態系とみなし、個々の遺伝子を生物の「種」、個々のゲノムを「すみか」に例えて理解しようとしています。

今回の発見は、細菌がどのように新しい能力を獲得し、環境に適応していくのかを理解する手がかりになります。また、細菌の進化には、偶然の出来事だけでなく、ある程度決まったルールがあることを示唆しています。この知識は、細菌の薬剤耐性がどのように進化するかを予測したり、制御したりする方法の開発に役立つかもしれません。

タイトル：Contingency, repeatability, and predictability in the evolution of a prokaryotic pangenome
URL：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304934120
機関：University of Nottingham
著者：Alan Beavan, Maria Rosa Domingo-Sananes, James O. McInerney