Background
生物はなぜこれほど「しぶとい」のか?
砂漠のど真ん中、水深1万メートルの深海、原子炉の冷却水の中。地球上には、一見すると何も生きられないような極端な環境が無数に存在します。ところが実際には、そういった場所にも何らかの生物が息づいています。生命はなぜ、これほどまでに多様な環境に適応できるのでしょうか。この「生物の強かさ」の根底にある仕組みを理解することは、現代生命科学の中心的な問いの一つです。
なかでも細菌は、とりわけ象徴的な存在といえます。熱湯が噴き出す温泉、極寒の南極の氷の下、強い酸性の水中、そして私たちの腸内まで、細菌は地球上のほぼあらゆる環境に遍在しています。地球上の細菌の総数は、宇宙全体の恒星の数よりも100万倍以上も上回ると推定されています。しかも多くの細菌は約20分に1回という猛烈なスピードで分裂し、1日だけで70世代以上を重ねることができます。細菌はヒトが数万年かけて経験する世代数を、わずか数日から数週間で重ねることができ、新たな適応個体を生み出しながら迅速に多様化していきます。
では、こうした強かさはどのような仕組みによって支えられているのでしょうか。重要な手がかりの一つは、細菌の適応における変化が完全にランダムではないという事実にあります。どの遺伝子に変異が起きやすいかにも、代謝などの性質がどう変わるかにも、特定の「パターンや方向性」が存在することが明らかになりつつあります。こうしたパターンは、一見、進化を特定の方向へ制限する足枷のように思えますが、実際には複雑な機能群を破綻させない変異体がより高頻度に出現する上で極めて重要な役割を果たしていると考えられています。こうしたパターンとそれを生み出す分子機構を解明することは、薬剤耐性が生まれにくい抗菌薬の設計や、より安定した遺伝子回路の構築につながるだけでなく、「複雑な生命システムがなぜ効率よく適応進化できるのか」という長年の謎への分子レベルからの答えにもなりえます。
もう一つの視点は、集団のレベルです。個々の細菌がどれだけ速く適応できても、集団そのものが崩壊してしまえば元も子もありません。細菌たちが互いにどのように関わり合いながら集団を維持しているのかを理解することは、生態系における微生物の役割を理解する上でも重要な問いです。
私の研究は、細菌をモデルとして、この「適応の仕組み」を多角的に解き明かすことを目指しています。
Earth harbors countless extreme environments — the desert interior, the deep sea at ten thousand meters, nuclear reactor cooling water — yet life persists in all of them. Understanding what makes living things so resilient is one of the central questions in modern biology.
Bacteria are the most striking example. They inhabit virtually every environment on Earth, from boiling hot springs and Antarctic ice to acidic waters and the human gut, and their total number is estimated to exceed the stars in the universe by a factor of one million. Dividing roughly every twenty minutes, bacteria accumulate in days what would take humans tens of thousands of years in generations, continuously generating new variants and diversifying at extraordinary speed.
What drives this resilience? One key insight is that adaptive change in bacteria is not random: specific patterns and directionalities govern which genes mutate and how traits such as metabolism shift. These patterns might seem to constrain evolution, yet they are thought to play a crucial role in ensuring that functional variants arise at high frequency. Uncovering these patterns and the molecular mechanisms behind them could inform the design of antibiotics that resist evolutionary escape, enable more stable genetic engineering, and help explain why complex biological systems evolve so efficiently. A second dimension concerns the population level — how bacteria interact collectively to prevent group collapse, a question central to understanding microbial ecology.
My research aims to uncover these mechanisms of adaptation, from the molecular to the population level.
Current Projects
1. 細菌はどのように遺伝子を素早く変えるのか?
細菌が驚くほど速く環境に適応できる理由の一つは、遺伝子配列が異なる変異体を高い頻度で生み出す能力にあります。では、細菌はどのようにして遺伝子を高頻度に変えているのでしょうか。これまで限られたマーカー遺伝子や遺伝子座でしか観測できなかった高速変異の仕組みについて、遺伝子の「一文字書き換え」から「大規模な構造変化」まで、ゲノム全体を複数の視点から捉え、その全体像に迫ります。
One reason bacteria can adapt to their environment with remarkable speed is their ability to generate genetic changes rapidly. But how exactly do bacteria alter their genes? To obtain a coherent picture, I'm trying to reveal multiple distinct mechanisms, from single-letter substitutions to sweeping structural rearrangements of the genome.
1.1. 点変異の高速化
細胞にはDNAの複製エラーを修正する仕組みが複数備わっており、これらの修復遺伝子を壊すと点変異の頻度が上がります(PLOS Genet., 2015)。ただし、すべての変異が一様に増えるわけではなく、変異には特有の偏りや癖があります(Genes Cells, 2015)。研究では、こうした修復遺伝子の欠損だけでは高頻度に生み出せない種類の変異が、紫外線照射によって補われることをゲノムレベルで明らかにしました。「修復機能の調節」と「紫外線によるDNAダメージへの応答」は、それぞれが異なる種類の変異を生み出す、相補的な仕組みなのです(Sci. Rep., 2017; SLAS Tech., 2019; G3, 2023)。細菌がこれら複数の経路を持つことで、単一の仕組みでは到達できないほど広い範囲の変異を探索できることが示されました。
We focused on the simplest kind of DNA change: the substitution of a single “letter” in the genetic code, known as a point mutation. Cells have multiple systems for correcting errors that arise during DNA replication, and disabling these repair genes increases the overall mutation rate (PLOS Genet., 2015). Importantly, however, not all types of mutations increase equally — each disrupted repair pathway produces its own characteristic pattern of mutations (Genes Cells, 2015). Our research revealed that some types of mutations that cannot be generated by disabling repair genes alone can be produced by ultraviolet (UV) irradiation. In other words, “regulation of repair functions” and “responses to UV-induced DNA damage” are complementary mechanisms, each generating a distinct spectrum of mutations Sci. Rep., 2017; SLAS Tech., 2019; G3, 2023). By combining multiple such pathways, bacteria can explore a far broader range of genetic changes than any single mechanism alone would allow.
1.2. 構造変異の高速化
遺伝子の変化は点変異だけでなく、互いに離れた位置にある複数の遺伝子が一つにまとまって新たな遺伝子が誕生することもあります(Nature Commun., 2025)。このような大きなDNA構造変化を引き起こす仕組みの一つが、ゲノム上を移動できる特殊なDNA断片「挿入配列(IS:Insertion sequence)」の働きです。ISが移動する際にはゲノムの一部の欠失や重複が生じ、周囲の遺伝子配置を大きく書き換えます。研究では、この書き換えが単なる壊れではなく、適応的な意味を持ちうることを示しました。たとえば、離れた位置にある2つの遺伝子がISの活動によって隣接するようになり、まとめて発現制御される「オペロン」という構造が新たに形成されることを実験的に実証しました(Nucleic Acids Res., 2022)。さらに、高い活性を持つISを大腸菌に導入した実験では、わずか10週間でゲノム全体の5%以上に相当する構造変化が生じることも明らかにし、ISがいかに急速にゲノムを大きく再編できるかを示しました(Nucleic Acids Res., 2025)。
A key driver of large-scale structural changes is a class of mobile DNA elements called insertion sequences (ISs). When an IS moves within the genome, it can cause deletions or duplications of nearby sequences, substantially reorganizing the arrangement of surrounding genes. Our research showed that this reorganization is not mere “breakage” — it can carry adaptive significance. For example, we experimentally demonstrated that two genes initially located far apart can be brought into physical proximity through IS activity, enabling them to be regulated together as a single unit called an operon (Nucleic Acids Res., 2022). In a further experiment, introducing high-activity ISs into E. coli produced structural changes affecting more than 5% of the entire genome within just ten weeks, illustrating how rapidly ISs can reshape the genetic landscape (Nucleic Acids Res., 2025).
2. 遺伝子の変化は、細胞の「振る舞い」をどう変えるのか?
遺伝子(DNA)の変化は、最終的には細胞の具体的な振る舞いの変化として現れます。増殖速度や代謝活性といった観察可能な性質の種類を「形質」、その形質が実際にとる具体的な状態を「表現型」と呼びます。生物はさまざまな形質を持っていますが、複数の形質が互いに独立・無秩序に変化するなら、精密に調整された細胞内システムは容易に破綻してしまいます。実際には複数の形質の間には特定の連動性があり、ある形質が変化するとき他の形質も一定の関係を保ちながら変化することで、機能破綻を回避しながら効率よく適応進化が進むと考えられています。しかし、この形質間の連動性を生み出す分子レベルの仕組みは、ほとんど明らかになっていません。
How do genetic changes alter the behavior of a cell?
Changes in DNA ultimately manifest as changes in the observable behavior of a cell. We use the term trait to refer to a measurable property such as growth rate or metabolic activity, and phenotype to refer to the specific state a trait takes in a given organism. Cells possess many traits simultaneously, and if these traits were to change independently and at random, the finely tuned systems inside the cell would quickly break down. In practice, traits change in a coordinated fashion: when one shifts, others shift in concert, allowing cells to adapt efficiently without losing function. The molecular mechanisms that give rise to this coordination, however, remain largely unknown.
2.1. 発現量変化の方向性
ある遺伝子の発現量が、ゲノムのどこかに生じた変異の影響を受けて増加するとき、他の遺伝子の発現量はどの方向に変化するでしょうか?任意の変異に対して特定の方向に発現量が変化しやすいかを調べるため、ランダムな変異を蓄積させた進化株の発現パターンを解析しました。その結果、変異が生じた遺伝子の違いにかかわらず、特定の遺伝子群がまとまって増加・減少するという傾向があり、発現変化が生じやすい特定の方向があることがわかりました。この方向性は環境変化による発現変動の方向とも一致していました。遺伝子の読み出しを制御する転写制御ネットワーク構造との対応を調べると、細胞内外のさまざまな刺激を感知できる中核的なハブ遺伝子が、この方向性と強く関連していることがわかりました。こうした中核的な構造が、複数の形質が連動して変化することの分子基盤である可能性が示唆されます(Nature Commun., 2025; Nature Commun., 2015)。
Directionality in gene expression change
To ask whether mutations tend to shift gene expression in particular directions, we analyzed expression patterns in strains that had accumulated random mutations. Regardless of which gene was mutated, specific groups of genes consistently increased or decreased together, revealing preferred directions of expression change. These directions aligned with the expression shifts induced by environmental perturbations. Mapping these directions onto the transcriptional regulatory network, we found that a small set of core hub genes — capable of sensing a wide range of intracellular and extracellular signals — were strongly associated with these preferred directions. This suggests that such core regulatory structures provide the molecular basis for coordinated trait change (Nature Commun., 2025; Nature Commun., 2015).
2.2. 代謝変化の方向性
代謝機能が変異によって変化するとき、別の代謝機能はどのように変化するでしょうか?私たちは、細胞の重要な形質である「代謝能力(どれだけ速く増殖できるか)」に着目し、その進化の方向性を検証しました。任意の変異に対して特定の方向に代謝能力が変化しやすいかを調べるため、ランダムな変異を蓄積させた大腸菌進化株について32種の炭素源における増殖速度を測定しました。その結果、進化に伴う各炭素源の代謝能力の変化は、モジュール単位でまとまって連動していました。解糖系炭素源どうし(グルコースとフルクトースなど)は一つのまとまり(モジュール)として、糖新生炭素源どうしは別のまとまりとして変化します。この代謝モジュール単位の連動は、自然界の菌株でも実験室の進化株でも共通して現れました。解糖系・糖新生という分類はそのまま代謝ネットワークの経路構造に対応しており、連動のまとまりがこの経路構造と一致していることから、代謝ネットワークの構造が進化の方向を制約していることが示唆されます(preprint)。
Directionality in metabolic change
A similar coordination appears in metabolic capacity. To test whether mutations shift metabolism in particular directions, we measured the growth rates of randomly evolved E. coli strains on 32 distinct carbon sources. Across strains, changes in metabolic capacity were coordinated in discrete modules: glycolytic carbon sources such as glucose and fructose changed together, while gluconeogenic carbon sources formed a separate module. This modular structure was consistent across both natural isolates and laboratory-evolved strains. Because these modules map directly onto the pathway architecture of the metabolic network, the results suggest that the structure of the metabolic network itself constrains the directions available to evolution (preprint).
3. 集団は、どのように崩壊を免れるのか?
個々の細菌がいかに速く適応できたとしても、集団そのものが崩壊してしまえば元も子もありません。細菌の集団は、資源の枯渇や種間の競争など、常に崩壊の危機にさらされています。では、細菌は互いにどのように関わり合いながら集団を維持しているのでしょうか。この問いは、自然界の微生物群集の安定性を理解するうえでも、細菌の「しぶとさ」の仕組みを解明するうえでも、欠かせない視点です。
How do populations avoid collapse?
No matter how rapidly individual bacteria adapt, the collapse of the population as a whole renders that adaptation meaningless. Bacterial populations face constant threats of collapse — through resource exhaustion, interspecies competition, and other pressures. How, then, do bacteria interact with one another to keep their populations intact? This question is central both to understanding the stability of microbial communities in nature and to explaining what makes bacteria so resilient.
3.1. 死細胞のリサイクルが集団の長期生存を支える
初期供与資源が枯渇した環境における集団の生存動態を解析したところ、予想外の仕組みが明らかになりました。栄養源が尽きると多くの細菌が死滅しますが、生存細胞は死んだ細胞が放出する物質を再利用することで生き延びています。ここで注目すべきは、生存細胞が利用可能な資源をすべて消費するわけではないという点です。個体濃度が一定の閾値に達すると、細胞は増殖を自制し、資源を使い切らないように振る舞います。この自制的な応答が資源の早期枯渇を防ぎ、集団の長期的な生存を可能にしていることを、実験とモデルの両面から示しました。集団としての死と再生の均衡が、個体レベルの適応とは独立した生存戦略として機能しているのです(mBio, 2017; Sci. Rep., 2023)。
Recycling of dead cells sustains long-term population survival
Analysis of population survival dynamics under resource exhaustion revealed an unexpected mechanism. When nutrients run out, most bacteria die — but surviving cells persist by scavenging and reusing materials released from dead cells. What is striking is that the survivors do not consume all of the resources available to them. Once viable cell density reaches a certain threshold, cells restrain their own growth and refrain from depleting the remaining nutrients. We demonstrated, through both experiments and mathematical modeling, that this self-restraint prevents premature resource exhaustion and enables long-term population survival. The balance between cell death and nutrient recycling thus functions as a population-level survival strategy, operating independently of adaptation at the individual level (mBio, 2017; Sci. Rep., 2023).
3.2. 資源の乏しい環境での種間協力
複数種の細菌が共存する集団では、種間の相互作用が群集の安定性を大きく左右します。自然界のさまざまな環境から単離した8種の細菌を組み合わせ、炭素源の多様性が異なる32種類の環境下で計896例の種間相互作用を解析しました。その結果、炭素源の種類が少ない環境では互いの増殖を高め合う協力的な相互作用が多く見られ、炭素源が多様になるにつれて相互作用が競争的に移行することがわかりました。この移行は、炭素源が増えるほど資源をめぐる競争が激化することによって説明されます。環境中の炭素源の多様性という一つの要因が、細菌群集における種間関係の性質を規定していることを示した成果です(The ISME Journal, 2025)。
Interspecies cooperation under resource-poor conditions
In communities where multiple bacterial species coexist, interspecies interactions strongly influence community stability. We analysed 896 pairwise interactions among eight bacterial species isolated from diverse natural environments, grown under 32 conditions varying in carbon source diversity. We found that synergistic interactions — in which species promote each other’s growth — were prevalent in environments with few carbon sources, and that interactions shifted toward competitive as carbon source diversity increased. This shift was explained by the intensification of resource competition in more complex environments. These findings show that a single environmental factor, the diversity of available carbon sources, is a key determinant of the nature of interspecies relationships in bacterial communities (The ISME Journal, 2025).
Past Research
4. 細胞は、遺伝子発現の「ゆらぎ」をどう適応に活かすのか?
遺伝子の変異や外部環境センサーを介した応答とは別に、細胞はより高い頻度で状態を変える手段を持っています。それが「発現ゆらぎ」です。細胞内の分子は数が少なく確率的な変動が避けられないため、まったく同じ遺伝子型・同じ環境にある細胞の間でも、遺伝子の発現量には細胞ごとのばらつきが生じます。こうした発現ゆらぎは単なる無駄で偶発的なエラーではなく、変異では追いつけないほど急激な環境変化や、センサーでは検知できない変化に際しても、細胞集団が素早く多様な状態を探索できる仕組みとして機能しうると考えられています。しかし、ゆらぎが大きすぎれば細胞の安定した動作が損なわれ、タイムスケールがずれていれば適応には役立ちません。このプロジェクトでは、発現ゆらぎの大きさとタイムスケールを定量するとともに、ゆらぎが実際に細胞の適応に機能的に利用されうるかどうかを検証しました。
Cells can change their state far more rapidly than mutation or sensor-based environmental responses allow, through stochastic fluctuations in gene expression — “noise” arising from the small number of molecules inside a cell. Even genetically identical cells in the same environment show cell-to-cell variability in expression levels, and this variability is thought to help cell populations explore diverse states in response to environmental shifts too rapid or too subtle for mutation or sensing to handle. Yet noise that is too large or too fast to be matched to environmental dynamics offers no adaptive benefit. This project combined single-cell quantification of expression noise with synthetic biology to test whether such fluctuations are genuinely used as a functional adaptive strategy.
4.1. 遺伝子発現で生じるゆらぎの定量
遺伝子発現のゆらぎは生細胞でも観察されますが、代謝や成長・分裂などの複雑な要因が交絡するため(Phys. Biol., 2009)、ゆらぎが遺伝子発現プロセスそのものに由来するかどうかを切り分けることは容易ではありません。そこで、脂質膜でつくったベシクル(人工細胞)の内部に無細胞の転写・翻訳システムを封入し、生細胞固有の複雑な影響を排除した条件で遺伝子発現を再現するアプローチも併用します。同一プロモーターで制御される2色の蛍光タンパク質の発現量をベシクルごとに計測し、蛍光強度の偏りを用いて確率性を定量した結果、個々のベシクル間で発現量が大きくばらつくことが確認されました。このゆらぎの大きさは生きた大腸菌が示すものと同程度であり、発現ゆらぎが細胞固有の複雑さではなく、転写・翻訳という遺伝子発現プロセス自体の確率的な性質に由来することを示しました(ACS Synth. Biol., 2015)。
Tracing stochastic noise in gene expression
Gene expression noise is observable in living cells, but the complexity of cellular metabolism, growth, and division makes it difficult to determine whether this noise arises intrinsically from the gene expression process itself (Phys. Biol., 2009). To address this, we enclosed a cell-free transcription and translation system inside lipid vesicles (artificial cells), reconstituting gene expression under conditions free from the confounding effects of living cells. We measured the expression levels of two fluorescent proteins driven by the same promoter across individual vesicles and quantified stochasticity from the bias in fluorescence intensities. The resulting cell-to-cell variation in expression was substantial, and its magnitude matched that observed in living E. coli — demonstrating that gene expression noise is an intrinsic property of the transcription and translation process itself, not a product of the complexity of living cells (ACS Synth. Biol., 2015).
4.2. 発現ゆらぎによる確率的適応
発現ゆらぎが実際の適応に役立つかを検証するため、ヒスチジン合成に必須な遺伝子(hisC)を本来の制御系から切り離し、外来プロモーターの制御下に配置した大腸菌を合成生物学的手法で構築しました。この菌株ではヒスチジン欠乏を感知する内在センサーが機能しないため、ヒスチジン枯渇環境での生存は、発現ゆらぎによって偶発的にhisC発現量が高くなった細胞が存在するかどうかに完全に依存します。一細胞レベルで観察したところ、ゆらぎによって偶発的に高い発現量を示した細胞のみが増殖でき、集団は絶滅を免れることができました。さらに、ゆらぎのタイムスケールが細胞の代謝や増殖に影響を与えるのに十分なほど遅く、ゆらぎが増殖適応度に直結して機能していることも示されました。特定の環境センサーを持たない場合でも、発現ゆらぎのみで集団が絶滅を免れる適応を実現できることを実験的に示した成果です(Mol. Syst. Biol., 2011; PLOS One., 2011; Nucleic Acids Res., 2014)。
Adaptation by stochastic noise
To test whether gene expression noise can directly support adaptation, we engineered an E. coli strain in which hisC — a gene essential for histidine biosynthesis — was removed from its native regulatory context and placed under the control of a foreign promoter, severing its connection to the cell’s endogenous histidine-starvation sensor. In this strain, survival under histidine depletion depends entirely on whether stochastic fluctuations happen to produce cells with sufficiently high hisC expression. Single-cell imaging confirmed that only those cells in which noise had transiently elevated expression could grow, allowing the population to escape extinction. Critically, the timescale of the fluctuations was slow enough to influence cellular metabolism and growth, showing that the noise was functionally coupled to growth fitness rather than being merely transient. These results demonstrate that gene expression noise alone — with no evolved sensing mechanism — can be sufficient for a population to adapt to environmental challenge (Mol. Syst. Biol., 2011; PLOS One., 2011; Nucleic Acids Res., 2014).