アプローチ

私たちが親と少し異なる個体であるように、生物も世代を重ねるにつれて少しずつ姿かたちを変えていきます。この時間の流れを大きく引き伸ばすと、「原始的なバクテリアが約40億年をかけて人間やカエル、食虫植物に進化した」という説明になります。これは一つの正しい見方ですが、その進化を駆動するメカニズムや、重要な節目を形づくったキーイベントには、なお多くの謎が残されています。私たちは、こうした謎の解明に取り組んでいます。

暑ければ涼しい場所へ、寒ければ暖かい場所へ、お腹が空けば食べ物のある場所へと動物は移動できます。しかし、植物にとってそれは簡単ではありません。そのため植物は、その場の環境に応じて自らの体を変化させながら生き延びています。私たちは、そのような植物の生き方を研究しています。

核酸やタンパク質を扱う分子生物学は現代生物学の基盤であり、当研究室でも重要な柱の一つです。植物を扱う場合には、核酸精製時に二次代謝産物を除去したり、アグロバクテリウムを利用して遺伝子を導入したりするなど、植物細胞の特性を踏まえた実験設計が必要です。CRISPRを用いた遺伝子編集でも、アグロバクテリウム法は一般的な手段です。食虫植物における遺伝子改変技術の開発も進めています。

たとえば食虫植物の捕虫葉は非常に複雑な構造をしていますが、それはいかなる進化過程を経て獲得されたのでしょうか。完成した形態だけを見て、普通の葉のどこがどう変化してそうなったのかを見極めるのは簡単ではありません。しかし、その複雑さは、器官の形づくり、すなわち発生過程のなかで少しずつ積み重なっていくものです。実際、発生初期の普通の葉と捕虫葉は、シンプルで驚くほどよく似た形をしています。そこから徐々に違いが現れていく様子を丹念に調べることで、捕虫葉形態の成立に重要だった進化イベントを推定できます。

外見以外の特徴も重要です。たとえば、食虫植物の消化能力や吸収機構を理解するには、物質輸送、代謝、植物ホルモンに関する知識が不可欠であり、これは植物生理学の領域です。

そして、「電気」もしばしば重要な役割を果たします。生体電気と聞くと筋肉や神経を思い浮かべがちですが、植物もまた電気信号を活用しています。生体電気の実体は「膜電位」と呼ばれるもので、生体膜の内外に生じるイオン組成の違いに由来する電位差です。それを検出する電気生理学的手法は、ハエトリソウのような動きをもつ植物の運動能力の解析だけでなく、食虫植物一般に見られる消化・吸収機能のように、イオン輸送が重要な役割を果たす現象の研究にも威力を発揮します。研究室主宰者の福島自身にはこれらの手法を実践する経験はありませんが、経験豊富なメンバーが加われば、実験設備の構築を進めたいと考えています。現在は、共同研究者と協力しながら必要な電気生理学的解析を行っています。

タンパク質は試験管内で比較的容易に合成・改変できるため、研究の設計次第で、生物進化に関する高解像度の知見が得られます。これは、生化学やタンパク質工学の手法によって可能になります。

「作って理解する」アプローチは、科学研究において非常に有効です。たとえば食虫植物の研究から本質的な理解に近づけたなら、その知見にもとづいて普通の植物を部分的に「食虫植物化」してみることで、仮説の妥当性を検証できます。シロイヌナズナをウツボカズラそっくりに作り変えるのはまだ現実的ではありませんが、食虫植物の遺伝子を一つ導入して栄養代謝の一部を変えたり、食虫植物に見られるような毛を生じさせたりする試みは、現在の技術でも少しずつ現実味を帯びています。タンパク質レベルで変異を導入し、食虫植物タンパク質に特徴的な性質を付与するのであれば、さらに現実的です。祖先タンパク質を出発点にすれば、それは「進化の再現」ともいえますし、実際に観測された変異と生じなかった変異を比較することで、選ばれなかった進化経路についても知見が得られます。少し大きな括りでいえば、これらは合成生物学に連なるアプローチです。

ゲノムに刻まれた膨大な情報は、生物の由来や特徴を理解するための重要な手がかりとなります。全ゲノム配列を解読し、遺伝子の構造を予測し、その遺伝子がどのような機能をもつかを推測することは、ゲノムから生物学的発見を引き出すための重要な基盤です。PacBioやOxford Nanoporeのようなロングリードシークエンサーと染色体立体配座捕捉法（Hi-C法）を組み合わせることで、染色体スケールのゲノムアセンブリーを取得できます。配列取得までは分子生物学実験が必要であり、その後は生命情報科学の手法が中心となります。

複雑な生命現象に向き合うとき、生命情報科学、あるいはバイオインフォマティクスは非常に強力です。オミクス解析や比較ゲノムで既存のツールを使いこなすだけでも大きな力になりますが、当研究室では新しい手法の開発にも取り組んでいます。

分子系統学は生命情報科学のなかでも古典的な領域ですが、ゲノム比較の中核をなすフレームワークです。生物間の系統関係を推定する分子系統解析法に加えて、当研究室では、遺伝子発現レベルや形質の進化過程を系統樹上で推定する系統比較法も日常的に用いています。

現代の生物学では、統計学の知識が不可欠なスキルとなっています。当研究室では、日々の研究活動を通じて、統計学の基礎から応用、さらには論文での記述方法に至るまで、幅広い統計学的スキルを身につける機会を提供しています。