家族との時間も研究も無理なく楽しむ。世界で初めて円石藻「ビゲロイ」の培養に成功し「サイエンス」の表紙を飾るまで（高知大学 海洋コア国際研究所 萩野恭子先生）

肉眼では見えない小さな単細胞の植物プランクトン「円石藻（えんせきそう）」のひとつ「ビゲロイ」は、光合成と同時に細胞内部に窒素を固定する機能をもつ海藻の一種です*。化学肥料を用いない窒素固定植物の開発への応用も期待されているなど注目されています。ビゲロイの可能性に魅せられて300回を超える海水の採取と内部構造の研究を続けたのが、高知大学 海洋コア国際研究所 特任講師の萩野（はぎの）恭子先生です。世界で初めて培養に成功、窒素固定の機能を有する真核生物の発見として科学誌「Science」の表紙を飾り、さらには年間の最優秀論文に選ばれました。

研究の道のりの中には、雇用されていたプロジェクトの終了や家族の状況に応じて全国各地を転々とし、正規の研究職に就くことが出来ないまま、自宅に研究機器を買い集めて家族と共にビゲロイを追い続けた時期もありました。若い世代へ「諦めて完全に止めてしまうのではなく、できる範囲で続けてほしい」と語りかけるその歩みは、どんな状況にあっても、楽しさや面白さを見出して探究を続けることの可能性を教えてくれます。

*窒素固定：生物を構成する重要な元素である窒素は、大気中の８割近くを占める窒素分子（N2）として存在するが、ほとんどの生物はそのまま利用することができない。窒素固定は、窒素をアンモニア（NH3）に還元する反応で、ごく一部の微生物だけが機能を持っている。この窒素固定の機能を植物に移植すれば、窒素肥料なしでも十分な収穫量が得られる窒素固定植物を作り出すことができ、大量の化学燃料を消費して作成する化学肥料を減らし、二酸化炭素の排出減少に貢献することが期待される。

窒素固定能力を持つ真核生物の新発見－細胞の進化解明も期待

──　萩野先生のグループが2024年に共同で発表された論文は、「Science」の表紙を飾り、年間最優秀論文にも選出されました。改めて、どのような発見だったのか教えてください。

萩野先生（以下、萩野）　「ビゲロイ*」という植物プランクトンが、ニトロプラスト*を細胞内に持つことを発見しました。そして、ニトロプラストは、共生を経て細胞内に取り込まれた窒素固定細菌がオルガネラ*に進化したものだと判明しました。これは好気性細菌由来のミトコンドリアや、シアノバクテリア由来の葉緑体に続く、世界で3例目の一次共生*由来のオルガネラです。これまで窒素固定ができる生物は全て原核生物でした。ビゲロイは窒素固定能力を持つ初めての真核生物として、生命進化の歴史に新たな1ページを刻みました。

*ビゲロイ：Braarudosphaera bigelowii　小さな藻類「円石藻」の一種、細胞の表面を炭酸カルシウムの鱗片（りんぺん）で守る。ドーバー海峡の白い崖は、深海の底に厚く堆積した円石の化石。
*ニトロプラスト：窒素固定を行う細胞内小器官（オルガネラ）。 Nitroplast（nitro-：窒素の、-plast：構造体）
*オルガネラ：細胞のなかにあり、一定の機能を持つようになった小器官。細胞小器官あるいは細胞内小器官とも呼ばれ、核やミトコンドリアなどがある。
*一次共生：真核生物が原核生物を直接細胞内に取り込み、それがオルガネラとして定着する共生プロセス

──　ビゲロイが獲得した能力である、「窒素固定」の価値とは？

萩野　窒素は空気の8割を占め、遺伝子やタンパク質を構成する重要な元素です。しかし、窒素は非常に安定なため、ほとんどの生物は空気中の窒素をそのまま利用できません。根粒菌などの窒素固定細菌だけが、空気中の窒素から直接アンモニアを合成できます。窒素と水素からアンモニアを合成するハーバーボッシュ法によって化学肥料が作られ、農業に革命を与えましたが、自ら窒素を作る植物プランクトンがいるということは、大変興味深いですよね。

──　しかも今回は、真核生物での初めての発見ということですね。

萩野　ミトコンドリアや葉緑体の誕生はそれぞれ20億年および15億年も前にさかのぼります。この2つに比べて約1億年前にオルガネラ化したニトロプラストは新しく、進化の途中で、もともとの窒素固定細菌の特徴がまだ残っています。そのため今回の発見とビゲロイの培養株は、細胞の進化の過程の解明に役立つと期待できます。

円石藻は非常に小さいため高性能な顕微鏡が欠かせない。効率よく両手を使って観察できるようにカスタマイズされた萩野先生専用の顕微鏡を使用している。
リケラボ編集部撮影

幾何学模様の美しい鱗片（りんぺん）に覆われた「ビゲロイ」に魅せられて

──　萩野先生とビゲロイとの出会いについて教えてください。

萩野　30年以上前の卒論研究です。高知大学の微古生物学*を扱う研究室に所属していて、本当は円石藻化石の研究をしたかったのです。ところがジャンケンに負けてしまい、現在の海での円石藻の分布や海流との関係を調べることになりました。海水を濾過したフィルターを乾燥したサンプルを顕微鏡で見ると、天体のような幾何学模様の世界が広がっていました。それがビゲロイだったのです。その美しさに一目ぼれしました。

*微古生物学：肉眼では見ることができない小さな化石（微化石）を研究対象とする古生物学の一分野

先生が一目ぼれしたビゲロイの電子顕微鏡写真。五角形（一辺約2.5μm）の鱗片12枚におおわれ、サッカーボールのようにも見える。非常に小さく、肉眼では見えない。
画像提供：萩野教授

当時、ビゲロイの生態は全く知られていませんでした。海底にはビゲロイの死骸（バラバラになった五角形の鱗）が落ちているものの、海水中から正十二面体の完全な形の個体は滅多に見つからず、幻の種といわれていたほどです。最初のサンプルで完全な形のビゲロイ*を観察できた私はとても幸運でした。

*正十二面体の完全な形：海水中の円石藻は死後、正十二面体を保てず外側の炭酸カルシウムの殻（円石）のみがバラバラの五角形の状態になって海底に降り積もる。当時正十二面体が観察できたのは、海水を濾過したフィルターの上に引っかかっていたもの。海水を汲んだ時点では生きていたと考えられ、試料として観察したときに実際には死んでいたものの、幸運にも正十二面体の形を保っていた。

2003年からポスドクとして北海道大学の「21世紀COEプログラム新・自然史科学創生」に参加し、ビゲロイの遺伝子解析に挑みました。

──　ビゲロイは、からだを美しい石灰で覆う時期と、殻を脱いで泳ぐ時期がある……。ダイナミックに姿を変える、珍しい生き物ですね。

萩野　ビゲロイ細胞を多く得られた2007年、研究のアドバイスをいただいていた北海道大学の堀口健雄先生から「ちょっと切ってみようか」と提案があり、数十nmの薄さにスライスして電子顕微鏡で観察してみることになりました。すると、見慣れない不思議な丸いものが細胞内に見えました。今回の論文で発表した「ニトロプラスト」を、世界で初めて観察した瞬間でした。より詳しく知るためには、たくさんの細胞が必要です。次の目標はビゲロイの培養に定まりました。

粘り強く12年、家族も一緒にビゲロイを追いかけて

──　ビゲロイの培養条件はすぐに見つかったのでしょうか？

萩野　結論から言うと12年かかりました。北海道大学でのプログラムは2008年3月で終わったので、家族の住む鳥取に引っ越しました。岡山大学地球物質科学研究センターのパート研究員として働きつつ、ビゲロイの実験を続けようと考えていました。鳥取の沿岸の海底にもビゲロイの遺骸が堆積している報告はあったので、ビゲロイはすぐ見つかると考えていました。

ところが、北海道と同じ条件では全く見つかりません。海底に遺骸が落ちている以上は、かならずビゲロイは鳥取の海にいるはずです。サンプリングをした条件が良くなかったと考え、まずビゲロイが現れる季節を調べるために、家族に手伝ってもらいながら一年中海で海水をくんで、ビゲロイが現れる季節を調べました。

また、サンプリングの場所探しも工夫しました。当時、古生物学を研究していた海外の学生さんの研究発表で、ビゲロイの遺骸は、岸から少し離れた海底の泥中に特に多いことがわかっていました。このことから、ビゲロイの生きている細胞は、沿岸から少し離れた海水中に多いと考えました。

しかし、少しの距離とはいえ、船を出すのは簡単なことではありません。そこで、沖から潮に乗って陸に近づくビゲロイを、満潮をねらって沿岸で待ち構える作戦に出ました。なんとか陸からも採集できるようになり、サンプリングのコストを大幅に節約できました。化石の研究から得ていた知識が、生物の研究の役に立ちました。

▼サンプリングの様子▼

サンプリングに協力していた娘さんは、「海は海水をくむところ」だと思っていたそう。これらの実験を基に書いた論文は、家族3人の連名で発表された。
画像提供：萩野教授

なお、鳥取に引っ越した当時の私は、専ら正十二面体のビゲロイを探していました（図A）。しかし研究を続けていた途中で、それまでは別種だと考えられていた生物（図B）の18SrDNA 塩基配列が、ビゲロイの18SrDNA塩基配列と一致することが、他の研究者が発表したデータから分かりました。この似ても似つかない生物が、実はビゲロイの生活環の一部だったのです。

外見を大きく変えるビゲロイ。変化の条件はまだ明確には分かっていない。
画像提供：萩野教授

──　生きたビゲロイの採取はかなり難しい作業なのですね。

萩野　海水をくみ、顕微鏡で観察するルーチンを6年間で232回繰り返しました。その結果、ようやく海水から生きたビゲロイ（正十二面体の方）を得られる条件として、梅雨の最初の「中休み」、具体的には雨が止んでから3日目から1週間だけという非常に限られた期間であることが判明しました。ビゲロイの正十二面体の細胞の方は、1年のうちたった3～10日しか産出されないことがわかってきたのです（泳ぐ方は、もっと長い期間見つかる事が、その後分かりました）。

──　ようやく生きたサンプルを入手できるようになり、いよいよ本格的に研究開始となったのでしょうか。

萩野　次のステップである、培養条件の確定にも苦戦しました。考え得る条件を片っ端から試すのですがなかなかうまくいきません。そうこうしているうちに、家庭の都合で今度は高知に引っ越しすることになりました。高知でも実験を続けましたが、上手くいかない日々が続き、「もうビゲロイ研究は潮時かな」と考え始めました。そして「研究職以外も経験してみよう」と、ハローワークで見つけた実験補助のアルバイトに応募してみることにしました。

しかし人生とは不思議なもので、アルバイトの勤務先の教授が藻類研究の専門家・足立真佐雄教授だったのです。私がビゲロイの培養に苦戦していると知った先生が「ところてんの抽出液は藻類の培養を促進する。ビゲロイにも効くかもしれませんね」と助言してくださいました。半信半疑でしたが、可能性のあるものは全て試そうと、ところてん抽出液を培養液に添加してみると、いつもは数日で弱ってしまうビゲロイが元気に泳ぐ姿が見えたのです。こうして、2018年、12年かけてようやくビゲロイの培養条件を確立できました。

──　研究をやめるつもりで始めた仕事で長年の課題が解決するなんて、本当に不思議な巡り合わせですね。その後どのように研究を再開したのですか。

萩野　アルバイトとは別に、大学ではパートや客員（無給）研究員などの立場で、ずっと研究を続けていました。しかし、地学系の研究員だったため、私が出入りできる研究室には、生物の培養に必要な機器は十分にありませんでした。また、研究室にある機器でも、客員の立場では無制限にいつでも自由に使える訳ではありませんでした。そのため家族と相談しながら、その時々の状況で必要なものを少しずつ自分で買い集めて、最終的には自宅で培養ができるラボができました。

自宅ラボという環境なら、子育て中でも研究を続けられますし、疲れたらすぐに休憩できます。私にとっては最高の環境です。もちろん潤沢な研究費をいただいて、設備の整った研究室で仕事ができたらベストですけれど、現実は持っているカードをいかに上手く使うか。その時々で、できる範囲で続けました。

米・カリフォルニア大学との共同研究に発展、一流誌を飾る大発見へ

──　ビゲロイの研究が「Science」に載るまでの経緯も是非お伺いしたいです。

萩野　培養条件を確立できたことでアメリカ・カリフォルニア大学のゼア教授との共同研究に発展しました。ゼア教授はUCYN-A*（後にニトロブラストと判明）がビゲロイと共生関係にあると2012年に報告したグループのリーダです。私はその1年後、ビゲロイの細胞内部にあった丸い構造体がUCYN-Aだと報告するのですが……。先を越されてしまいました。

お互いをライバルと意識しつつ、メールで情報交換をする程度だったのですが、ビゲロイの培養に成功したことをきっかけに共同研究の申し出をいただきました。

*UCYN-A：Unicellular Cyanobacteria group A、単細胞シアノバクテリアA群。

ビゲロイと共生関係にあるUCYN-Aの研究を続けるアメリカ・カリフォルニア大学　ゼア教授と。国境を超えた共同研究が後に「Science」の表紙を飾り、さらには年間の最優秀論文に選ばれる発見へとつながった。
画像提供：萩野教授

──　ライバルが心強い味方になったのですね！

萩野　人生をかけてUCYN-Aを追い求めているゼア教授の情熱に圧倒され、共同研究に踏み切りました。加えて、ゼア先生がお持ちのプロジェクトの予算から私の給与財源を高知大学に支給してくださったことで、高知大学で腰を据えて研究できる体制が整ったのです。私が家族と一緒に暮らしながら大学で働ける環境を、国を超えて整えてくださったゼア教授には感謝しています。

共同研究では、軟X線を利用した三次元構造解析によりUCYN-Aと宿主細胞が同じスケジュールで分裂し、娘細胞に一つずつ受け継がれることを観察、またプロテオーム解析*で、宿主からUCYN-Aのタンパク質供給が証明されました。これは単なる共生ではなく、細胞小器官として取り込まれた「ニトロプラスト」だと結論づけました。真核生物が初めて窒素固定能力を獲得した報告で、ゼア教授と私たちのチームは「Science」の表紙を飾ります。「培養の成功なくしてこの成果は得られなかった」とゼア教授に声をかけていただき、本当にうれしく思います。

*プロテオーム解析：プロテオームはタンパク質（protein）とゲノム（genome）を組み合わせた造語で、細胞内で発現している（発現する可能性のある）すべてのタンパク質を指す。プロテオーム解析では、タンパク質を断片化して質量を測定し、得られたデータをゲノム解析から推定されるタンパク質のアミノ酸配列データと比較して同定。個々のタンパク質の機能およびタンパク質同士の機能的なつながりを解明し、生物の持つタンパク質の構造や機能を網羅的に解析する。

基礎科学の進展への貢献が高く評価され、米国科学振興協会ニューカム・クリーブランド賞（AAAS Newcomb Cleveland Prize、2025年）を受賞。賞状と論文が掲載された「Science」誌を手にする萩野特任講師と足立教授。
画像提供：萩野教授

──　今後の展望についても教えてください。

萩野　ビゲロイの細胞内にあるUCYN-Aが窒素固定に関わるオルガネラとして分化の途上にある「ニトロプラスト」であり、この「ニトロプラスト」を細胞内に安定的に保持するしくみが明らかになれば、農業上重要な植物へ窒素固定の機能を付与した、窒素肥料を必要としない食用植物の創生につながる研究に役立つかもしれません。

また、ビゲロイ培養株の長期安定培養が実現したことにより、実験環境下でのビゲロイ（UCYN-A）の窒素固定量の計測が可能となりました。海中から発見されたUCYN-Aは、窒素固定に関わる遺伝子群を保持しており、かつその現存量も多いため、今後は全地球規模での海洋の窒素循環に関する解明が進む可能性も高まります。

さらに、ビゲロイの化石記録は約1億年前の白亜紀中期まで遡ることができ、産出の状況から生物の大絶滅の直後の海洋植生の回復プロセスを特徴づける種の一つと考えられており、ビゲロイの培養株を用いた生態研究から、生物の絶滅後の古海洋環境の解析にも貢献できるかもしれません。

無理なく、出来る範囲のことをやってみよう。継続の先にチャンスあり

──　改めて先生の研究の歩みを振り返ってみると、さまざまな困難がありつつも、「継続」が一つのキーワードになりそうです。

萩野　学部生のときにビゲロイに出会い、50歳を超えて「Science」という超一流の雑誌に論文が掲載されました。その間約30年、家庭や育児の事情から自宅で研究したり、途中で何度も諦めそうになったりと、典型的な研究者の姿からは外れているかもしれません。けれども、研究をして論文を発表したい、という情熱を消すことはできませんでした。どんな形であっても研究して、論文を書き続けたかったのです。

もちろん、海が近い住まいや家族の理解といった恵まれた環境にも支えられました。私のケースをそのまま美談として語るべきではありません。その上で「こんな研究スタイルもあるのだ」と、手持ちのカードを最大限に活用して諦めずに探究を続けてほしいと思います。私のように10年以上失敗が続いても、チャンスが来たときに「これは！」と掴み取る可能性が高まります。

──　研究者を目指しながらも、諸事情で困難を感じている方に向けて、是非メッセージをお願いします。

萩野　立派なラボでの正規研究職採用や子どもを預けられる実家、動き続けられる体力、24時間自分のためだけに使える時間。こうした理想的な環境が整わなくても研究はできるのかも、と私の姿を思い出して、できる範囲で研究を続けてくれたらと願います。

萩野 恭子（はぎの きょうこ）
高知大学 海洋コア国際研究所　特任講師

岐阜県生まれ。1994年高知大学 理学部地学科卒業。99年北海道大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻科博士後期課程修了。博士（理学）。北海道大学21世紀COE新自然史科学創成学術研究員、岡山大学地球物質科学研究センター特別研究員などを経て、2014年より高知大学に。自然科学系理学部門客員講師、海洋コア総合研究センター客員講師などを経て24年12月より現職。専門は微古生物学。とくに円石藻の多様性や進化を探っている。

毎日1枚、円石藻の姿をX（旧Twitter）で投稿している。アイコンはビゲロイの殻を被った萩野先生。https://x.com/Silver_Kyoro

＜論文情報＞
【題名】Nitrogen-fixing organelle in a marine alga（海産微細藻類における窒素固定型シアノバクテリアのオルガネラ化）
【著者名】Tyler H. Coale, Valentina Loconte, Kendra A. Turk-Kubo, Bieke Vanslembrouck, Wing Kwan Esther Mak, Shunyan Cheung, Axel Ekman, Jian-Hua Chen, Kyoko Hagino, Yoshihito Takano, Tomohiro Nishimura, Masao Adachi, Mark Le Gros, Carolyn Larabell, Jonathan P. Zehr
【掲載誌】Science
【掲載日】2024年4月12日
【DOI】https://doi.org/10.1126/science.adk1075

※所属や肩書などはすべて掲載当時の情報です。

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