背景

磁性細菌（MTB）は、細胞内に磁鉄鉱ナノ結晶を合成し、地球の磁場に沿って整列します。これらの細胞膜に結合した磁性結晶は鎖を形成し、コンパスの針のような磁気モーメントを生み出します。この配置は、層状の酸素と硫化水素濃度を持つ堆積物中で、細菌が適切な生息地に移動できるように、探索範囲を狭めるのに役立ちます。

核を持つ単細胞真核生物においても磁受容性行動が報告されていますが、彼らがどのようにこの磁気感覚を獲得しているかは不明です。真核生物が自身の遺伝子を用いて磁性鉱物を生成するのか、摂取したMTBからの磁性体（マグネトソーム）を一時的に利用するのか、あるいは感覚器官として共生微生物に依存するのかを判断することは困難でした。特に、ほぼ無酸素の環境では、宿主と共生生物の両方を培養して、それぞれの機能を検証することは困難です。

主な発見

国際研究チームは、ガボン、リブレビルの近くにある無酸素の河川堆積物から、新しい好気性繊毛生物を発見し、Tropidoatractus magnetotacticusと名付けました。この生物は、外部磁場に沿って整列して泳ぎ、磁場の方向が、無酸素の堆積層への移動を助けていました。

電子顕微鏡による細胞内部の観察により、平行に配置された磁鉄鉱（Fe3O4）ナノ粒子の鎖が、楕円形の「ネックレス」のように並んでいることが明らかになりました。しかし、これらの結晶を生成しているのは、繊毛生物自身ではありませんでした。宿主内に豊富に存在する桿状の細菌が、マグネトソーム鎖を含んでいました。磁性を示す繊毛生物細胞を選択的に集めた後、メタトランスクリプトームおよび遺伝子発現を分析した結果、Thermodesulfobacteriotaに属するMTBが同定されました。この細菌は、磁鉄鉱の生体鉱化を制御するマグネトソーム遺伝子クラスターを発現しており、既知の外部共生生物であるCandidatus Desulfarculum epimagneticaと遺伝的に近いことが示されました。

細胞内には、さらに2つの共生生物が存在していました。1つは、Methanoregula系統に属する水素栄養性メタン生成古細菌です。メタトランスクリプトーム解析により、水素体のような鉄-水素化酵素と、水素を生成するミトコンドリア由来のオルガネルの電子伝達系の遺伝子の発現が明らかになりました。研究者らが提案する代謝モデルでは、繊毛生物が嫌気性発酵生成物を生成し、これがMTBとメタン生成古細菌によって消費されます。その見返りとして、MTBは、宿主全体を磁場に沿って整列させるマグネトソームを提供します。このように、真核生物、細菌、古細菌という3つの生命領域が、単一の細胞内で協力して、運動とエネルギー代謝を完了させています。

意義と展望

本研究は、磁性細菌が、単一の生物のゲノム内で独立して進化する必要はないことを示しています。宿主は、磁性ナノ結晶の合成に関わる遺伝子を直接持たなくても、共生細菌の物理的特性を自身の行動特性に取り込んでいます。メタン生成古細菌を伴う代謝的共生は、無酸素環境における磁性粒子の生成に必要な共生的関係を維持するための基盤であると解釈されています。

ただし、遺伝子発現と顕微鏡観察から構築された代謝ネットワークは、共生生物間の炭素と水素の移動速度を直接測定した結果ではありません。3つの構成要素を分離して培養するか、安定同位体トレーサーを用いて代謝物質の移動を検証する必要があります。また、共生生物を除去した場合の宿主の磁性細菌性と生存への影響についても調査する必要があります。同様の三者間の関連性が他の無酸素堆積物で見つかった場合、それは、現在知られているよりも共生が感覚および行動進化のより広範な推進力であるという証拠を提供する可能性があります。本研究の結果は、国際誌PNASに2026年7月に掲載されました。