地球上に生息している微生物の数はあまりにも膨大で、数えることは不可能だ。これは決して誇張ではない。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のマイクロバイオーム革新センターの所長を務める微生物学者のロブ・ナイトは、「細菌の数は、宇宙の星の1億倍にのぼると推定されています」と述べる。「そのほとんどについて、まったくといっていいほど何もわかっていません」

地球上のマイクロバイオームのマップの作成、つまりマイクロバイオームに含まれている多種多様な微生物を分類して相互関係を突き止めるのは、単なる野心の域を超えている。シカゴ大学マイクロバイオーム・センター所長のジャック・ギルバートは、「正気の沙汰とは思えない考えです。微生物の多様性を一覧にするのは途方もない難題です。なぜなら、地球上には微生物が1兆種近く存在するからです」と話している。

ナイトやギルバートのこのようなコメントには違和感を覚える。実はふたりは7年前に、微生物学者であり、パシフィック・ノースウエスト国立研究所で生物化学の責任者を務めるジャネット・ジャンソンとチームを組んで、「アース・マイクロバイオーム・プロジェクト（EMP）」を立ち上げたからだ。

これは地球のマイクロバイオームの一覧を作成することを目的とした、実に規模の大きい国際的な取り組みだ。

500人の研究者の努力の成果でできた「エコロジーの教科書」

これら3人をはじめとする数百人の研究者たちは、11月1日（米国時間）、微生物マップの初回版を発表した。地球上でコロニー（集落）をつくっている細菌を集めた初のリファレンス・データベースだ。マップの作成では、あらゆる大陸から収集した微生物を特定して比較するために、新しいプロトコルや解析方法、ソフトウェアの開発が行われた。

EMPの協力者たちは、ヒトの消化管、鳥の口、南極の火山の土、アラスカの川、大西洋の海底など、世界各地の生物や環境から、合計で2万7,751個のサンプルを収集した。『Nature』オンライン版に11月1日付けで発表されたこの取り組みは、世界の43カ国にある160を超える機関の500人を超える研究者の努力を表わすものだ。これまでに発表された、顕微鏡でしか見えない世界の研究のなかで、最も大規模なものになる。

ニューヨーク大学で「ヒューマン・マイクロバイオーム・プログラム」の責任者を務め、EMPには参加していない微生物学者マーティン・ブレーザーは、「この論文自体がエコロジーの教科書です」と述べる。

「これからの学生は、この論文を読んで次のように言うでしょう。これが多くの法則の起源だ。生態的関係の原則であり、自然がどのように体系化されているかの原則だ、と」

これらの体系化の原則はあまりにも数が多く、しかも大抵はかなりの初期段階にあるので、ここで列挙することはできない。今回の大規模なメタアナリシスのために収集された2万7,751個のサンプルは、別の100件近くの研究で取り上げられているもので、そのうちの半分はすでにピアレヴュー（査読）を受けた刊行物で発表されている。

しかし、ナイトは次のように話す。「われわれの発見について本当に注目に値するのは、動物の微生物や植物の微生物、海水環境に棲むものや淡水環境に棲むものなどの対象にかかわらず、さまざまな種類の環境を通じて通用するものだということです。これらの各環境に存在する微生物の種類がまったく異なるものであっても、生態の原則はほぼ同じです」。

微生物学者たちは、これらの動的な原則をさらに調べるためのツールを得たことになる。

22億の配列を分類

これらの一覧をまとめるのは容易ではなかった。これまでの調査と同様に、研究者たちは微生物のサンプルを、16S rRNA系統解析によって分類した。「16S rRNA遺伝子」には、細菌に付けたバーコードのように、独自の変異が記憶されている。

特定のサンプルに含まれるすべての微生物の配列を入手した研究者たちは、そのすべてを相互に比較して、それぞれの類似性に基づいて複数のグループにまとめた。このとき、それぞれのグループ内では相互依存性が生じた。

特定の地域で採取した少量のサンプルに含まれる細菌の相違の評価であれば、このような相互依存性に問題はない。しかし、異なる環境で細菌を比較したり、発表された観察結果を自分の観察と比較したりするのは難しくなる。

博士課程修了後もマイクロバイオーム革新センターで研究を続けている微生物学者で、今回の論文の執筆者のひとりであるジョン・サンダースは、「情報を共有したり、複数の研究にわたって情報を蓄積したりできる範囲がかなり制限されます」と述べる。

特に問題になるのは、数十億に上る配列を扱う場合であり、EMPはまさにそのケースだ。配列解析が行われた16S rRNA遺伝子をもっていた微生物の採取元は、ひとつ、あるいは数百どころか、2万7,751個のサンプルすべてだ。配列の数は22億近くにもなる。

ナイトは10年前、この数字がどのくらいになるかの検討を付けるために、地球の微生物の構成について、当時としては最も包括的な解析を発表した。

コロラド大学の微生物学者キャサリン・ロズポーンとの共同執筆によるこの論文は、111件の研究から集めた16S rRNA配列をまとめたもので、配列の総計は2万1,752個だった。ナイトの言葉によると、今回の新しい論文で示した22億個の配列は、微生物の世界についてのわれわれの知識が10万倍に拡大したことを表わすという。

研究者たちは、いくつかの高度なアルゴリズムの助けを借りて、この22億の配列を、グループにまとめるのではなく、それぞれを長さ90塩基対の遺伝コードまで短くして分類した（これによって完全に独立して識別できるようになる）。データ処理が完了すると、30万7,572個の重複のない微生物配列が得られた。その90パーセント近くは、16S rRNAの既存のデータベースに記録されていないものだった。

「わたしはこれを、その細菌の『真の名前』と呼んでいます」とサンダースは言う。実際の作業では、真の名前とは、コロラド州の湖で発見した微生物が、5年前にサンディエゴの沖で同僚が発見したものと同じであるかどうかを悩まずに済むようにするものを意味する。

EMPが作成した一覧を利用すると、研究者は大抵の場合、サンプルを取得した場所を、そのなかで生きているものがわかるだけで特定できるようになる。

「重要なのは、配列を目で見ることができ、それに意味があること、そして20年後にもその配列を見ることができ、それに引き続き意味があることです」とサンダースは説明する。「これらの細菌に関する情報を、今後行われる数多くの研究にわたって蓄積できるようになります」

つまり、EMPのデータベースは、情報源以上のものであると同時に、出発点でもあるのだ。米国エネルギー省共同ゲノム研究所でマイクロバイオーム・データサイエンス・グループの責任者を務め、今回の研究には参加していないニコス・キルピーデスは次のように話している。

「フィールド調査の場でさらに複雑な解析ができるようになるとともに、微生物学者と生物学者が協力して、はるかに大きな疑問に取り組む方法としての優れた例になります。わたしたちは、自分たちが微生物の惑星で生きていること、そして、わたしたちがやる必要がある作業の重要性は非常に高く、それを成し遂げるには協力するしかないという事実に向き合う必要があります」

その目標に向けて、ジャンソン、ナイト、ギルバートの3人は、さらに広範囲の緯度と高度でサンプルを収集するために、世界各地からさらに多くの協力者を募集すると話している。今後は、細菌に加えて真菌類も対象にする。16S rRNA遺伝子だけでなく、ゲノム全体の配列を解析する。

そしてEMPの一覧を、「アメリカン・ガット」プロジェクトのデータセットなど、ほかのデータベースに関連付けるのだ。

「終わりはまだ当分ありません」とジャンソンは述べる。結局のところ、細菌の数は宇宙の星の数の1億倍もあるのだ。つまり、まだ遭遇していないおびただしい微生物が、数十億、いやおそらく数兆という数で存在するということだ。