生物学者と化学者の“ラーメン屋会議”が食糧危機を解決!?(上)

分子の力でアフリカを緑の大地に(上)

好評シリーズ「WPI世界トップレベル研究拠点」潜入記 第9回!

WPI(世界トップレベル研究拠点プログラム)は、異なる研究分野間、言語と文化の垣根を超えて世界の英知が結集する、世界に開かれた国際研究拠点を日本につくることを目指して2007年、文部科学省が策定した研究拠点形成事業で、2021年現在、全国に13研究拠点が発足しています。

9回目となる「潜入記」の舞台は、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所(WPI-ITbM)。ここに新たな分子を開発することで、アフリカの食糧問題と対峙している気鋭の生物学者がいると聞き、土屋雄一朗特任教授と森川彰特任講師にお話を伺いました!

【清水 修, ブルーバックス編集部】

年間被害額は1兆円!美しい花畑がもたらす悲劇

ここに一枚の写真がある。

ストライガ(写真提供:SATREPS Striga Project)

写し出されているのは一面ピンクの花畑。何も知らなければ、のどかで自然豊かな風景だ。花の名はストライガ(Striga)という。別名、『魔女の雑草』。なぜそんな名で呼ばれるのか。アフリカの地に住む人々にとって、この美しい花は悪夢のような現実をもたらす「魔女」だからである。

ストライガは、アフリカで生産される主要穀物であるトウモロコシやソルガム(モロコシ)に寄生してそれらを枯らせてしまう「寄生植物」だ。その被害額は年間1兆円にものぼると言われている。SDGs(国連『持続可能な開発目標』)の2つめに「飢餓をゼロに」という目標が掲げられているが、まさにアフリカはこの目標の対象となるエリア。極端な人口増加に伴う深刻な食糧不足に恒常的にさらされているため、主要穀物の自給は人々の生死を分ける最重要課題だ。

それを阻むのがストライガによる被害なのである。実際、被害規模は甚大で、アフリカ大陸全体にわたって5000万haもの農地がストライガの被害に遭っている。きわめて広大な農地が写真のようなピンクの花畑になってしまっているのだ。

これほどの大問題でありながら、ストライガはその名前すら日本でほとんど知られていない。アフリカでは多くの人々がストライガに苦しめられているというのに、だ。

ところが、今から3年前、ある研究者の研究成果から『魔女の雑草⏤ストライガ』の存在が新聞等で報じられ、ある程度、日本人の間でも知られるようになった。その研究成果は「ストライガ駆除のための画期的な分子、SPL7の発明」というものだった。この発明により、将来、ストライガを駆逐できる可能性が出てきたのだ。

そこで今回、我々WPI潜入チームは、発明者である 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所(WPI-ITbM)の土屋雄一朗特任教授と森川彰特任講師にオンラインでのインタビューを試みることとした(依然、コロナ禍ゆえのオンライン取材。早く研究者に会いに行けるようになりたいものだ)。

ある日、ストリゴラクトンの存在を知る

「今日はストライガとSPL7の話ですね。よろしくお願いします!」

右は土屋雄一朗先生。左の森川彰先生はケニアからの参加となった!

Zoom画面に映し出される土屋さんと森川さんの笑顔。土屋さんは名古屋から、森川さんはアフリカのケニアからの出席である(こういうことができるのがオンラインの良いところ)。まずは研究の話を聞く前に、同席している広報部門の佐藤綾人さん(リサーチプロモーションディビジョン、特任准教授)から「WPI-ITbMとはどんな研究所なのか」をご説明いただこう。

「13のWPI拠点のひとつである WPI-ITbM(名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所)は、生物学と化学の学際領域の研究を進める研究所です。生物学者と化学者が一緒になって各研究を進めています。具体的な柱としては『4つのフラッグシッププロジェクト』というものがあります。体内時計、ケミカルバイオロジー、化学駆動型バイオイメージング、それから、今日、土屋さん・森川さんに話してもらうストライガに関する研究の4つです。今年度から『ITbM2.0』ということで、この4つに加えて、『ナノカーボン・バイオロジー・ケミストリー』というフラッグシッププロジェクトが加わりました。これはグラフェンやカーボンナノチューブとして知られる『ナノサイズの炭素材料』を積極的に異分野に使っていこうというプロジェクトです」(佐藤綾人特任准教授)

なるほど。ありがとうございます。今日うかがうお話も生物学と化学のミックスなのであろう。

ではさっそく土屋さん・森川さんにインタビューを開始。

『魔女の雑草』という言葉はものすごくインパクトがありますが、土屋さんはどんなきっかけでこの言葉を知り、ストライガの研究を始めようと思ったのでしょうか。

「ぼく自身は昔からずっと種子発芽の研究をしてきたのですが、ストライガに関しては2003年頃までまったく知りませんでした。当時、シロイヌナズナ【註:アラビドプシスArabidopsisの和名。アブラナ科の植物】というモデル植物を使って『普通の植物がどうやって発芽しているのか』という研究をしていました。その過程で『ある化合物』を見つけました。その化合物は植物の発芽を刺激するのですが、どうやら『ストリゴラクトン』と言われる分子と似ているらしいということが分かりました。さらに、ストリゴラクトンについて調べていくと、2003年当時は本当に知られていない分子で『ストライガという寄生植物の発芽を刺激する、宿主植物が出す分子(物質)である』ということだけが分かっていました。その時に初めて、ストライガがアフリカで甚大な問題を引き起こしていることを知り、『ストリゴラクトンの研究を進めて、ストライガを撲滅しよう』と思ったんです」

寄生生物ストライガの巧妙な生存戦略

それにしても、アフリカでは、なぜストライガがそんなに広がってしまったのだろうか。そして、なぜそれまでストライガを駆逐することができなかったのだろうか。

ストライガがアフリカ大陸全体の広大な農地に広がってしまった理由はその「巧妙な生存戦略」にある。ストライガは0.1mmから0.3mmという、まるでホコリみたいな極小の種をきわめて大量に産生する(1個体あたり20万個!)。それが風に乗って広範囲に飛ぶ。各地に降り立ったストライガの種は土中に入り、やがて発芽して穀物の根に寄生し、枯れるまで栄養を吸い取る。そして、これがストライガの驚異的に巧妙なところなのだが、周囲に寄生できる植物がない場合、降り立った種はまるで冬眠でもするかのようにそのまま10年も20年もじっとしているのだ。そして、周囲に植物が植えられたら、満を持して発芽し、目当ての植物に寄生する。農作物を守るためにストライガを引っこ抜いても、広大な土地にばら撒かれた種がミクロの地雷のように埋まっているのだから駆逐などできようはずもない。まったくもって「魔女」のような巧妙さではないか。

ともあれ、2003年、土屋さんはひょんなことからストリゴラクトンの存在を知り、ストライガ撲滅のための研究を始めた……。そもそも、ストライガはどのようなメカニズムで穀物に寄生するのでしょうか。

「ストライガってね、実験室で何かの植物に寄生させて育てるのがとても難しいんですよ。実験対象としてすごく使いづらい。だから、ストライガの寄生のメカニズムってあまり詳しくは分かっていないんです。確実に分かっているのは『宿主となる植物が根からストリゴラクトンという物質を出すと、それに反応したストライガが寄生を開始する』ということくらいですね」

まず、宿主(トウモロコシなど)が根からストリゴラクトンという物質を出す。このストリゴラクトンはストライガのためにある物質ではなく、宿主が土中の菌根菌(植物と共生する菌類)とつながって共生するためにある。菌根菌は宿主にリンなどの栄養素を供給してくれるので、宿主としてはストリゴラクトンを出して菌根菌を呼び寄せる必要があるのだ。ストライガはこの「良き共生関係」を利用する。土中のストライガの種は宿主が出したストリゴラクトンを感知すると、「発芽」する。次に、発芽から成長したストライガは、宿主の出すDMBQ(2,6-dimethoxy- p-benzoquinone)という物質を感知して自らの根っこの形を「吸器」に変形させる。そして、根っこを宿主の根まで延ばしていき、くっついて吸器によって栄養を吸い取り始める。宿主から吸い取る栄養でストライガはさらに成長していき、やがて宿主は枯れてしまう。ストライガは枯れた宿主の根から栄養を吸い取り続けて生き延びる。

ストリゴラクトンとストライガの寄生メカニズム

「寄生のメカニズムとしては大体そんなかんじです。巧妙な寄生メカニズムですが、実はストライガにはひとつだけ弱点があります。発芽する前の種の状態なら何年でも生きているわけですが、一度発芽したら、宿主への寄生を成功させないと、1週間くらいで死んでしまうのです。この弱点を利用してストライガ駆逐の方法が考え出されました。『自殺発芽』という方法です」

自殺発芽作戦でストライガに対抗

自殺発芽! なんだかものものしい言葉である。「自殺」と「発芽」が矛盾しているようでもあるし……。この自殺発芽とは「宿主がいない場所で、ストライガを発芽させて死に追いやる」という方法らしい。これって、農作物を植えていない土地に人工的に合成したストリゴラクトンを注入して無理やり、ストライガを発芽させるということなのだろうか。

「その通りです。ただ、ストリゴラクトンは人工的に合成すると、ものすごくコストがかかるんですよ。1mg作るのに数万円というかんじ。だから、それを大量に合成してアフリカの広大な大地に撒くのは現実的ではない。それから、ストリゴラクトンは植物ホルモンでもあるんです。植物ホルモンは農作物や土壌にいろいろと影響を与える物質。だから、ストリゴラクトンを安易に撒いてしまうと、畑の作物や周りの草や土壌の菌類などがバランスを崩してしまう可能性が高い。そこで、さらに考え出されたのが『エチレン』というガスを使って自殺発芽させる方法です。エチレンはストリゴラクトンと同様、ストライガを発芽させる機能があるんですよ。実は、ストリゴラクトンの発見も自殺発芽の考案もエチレンが代用できるというアイデアも、すべて米国から出てきた研究成果です。なぜなら、主にアフリカ大陸に生息する寄生植物であるストライガが、一時期、米国に飛び火したことがあったからです」

ストライガに寄生されたアフリカのトウモロコシ畑

1950年代、それまではストライガがいなかった米国にストライガが侵入した。そして、瞬く間に広がって17万5000haもの農地に被害をもたらした。米国農務省は1950年代末から本格的にストライガ撲滅の研究を始めた。

まず、ストリゴラクトンを発見。次に『自殺発芽』を考案。さらに、高価なストリゴラクトン合成の代替案として「エチレンガス散布」を考え出した。とはいえ、エチレンは「ガス」なので、よくTVに出てくる映像のように広大な農地に飛行機で農薬を撒くような方法では散布できない。風に飛ばされてしまうからだ。結局、米国政府はインジェクターを使って一定の間隔で土中にエチレンガスを注入していった。

当時、米国でストライガが広がっていたエリアはノースカロライナ州とサウスカロライナ州。アフリカ大陸の被害エリアに比べれば小さな地域だが、ローラー作戦でガスを注入していくとなるととんでもなく時間がかかる。

「それでも米国はがんばってエチレンを土中に注入し続け、50年かけてストライガを撲滅したと言われています。まさに執念ですよね。しかし、アフリカ大陸でこれと同じことをやったら、規模としては何百倍も広いので、撲滅するまでとんでもない年月がかかってしまいます。アフリカでストライガ撲滅をするにはもっと別の方法を考えなければならないと思いました」

こうして、土屋さんはストリゴラクトンやエチレンに代わる「何か」を求めて研究を続けた。

ストライガのストリゴラクトン受容体に大注目

土屋さんが研究を始めた当時、ストリゴラクトンに関わる他の研究者たちは皆、「もっと安くて、簡単に作れる『ストリゴラクトンによく似た分子』を作ろう」と、ストリゴラクトンの分子を改造しようとしていた。ストリゴラクトンの分子の『構造式(亀の甲のようなあの図)』の各パーツを作りやすいパーツに入れかえて改造していくのだ。

しかし、そうやって試作された分子はいずれも、「安く作れるけど活性が低い」とか「活性が高いものを作れたが、作り方がとても大変」というかんじで、なかなか決定打が出てこなかった。また、前述したように、ストリゴラクトンは(改造しても)植物ホルモンなので、ストライガ以外の植物や土壌に影響を与えてしまう。

だから、自殺発芽に使う「ストリゴラクトンの代替物」を開発するならば、「簡単に作れて、安くて、ストライガにしか効かない(他のものに影響を与えない)物質」である必要があった。一体、そんな条件の厳しいものを本当に作れるのだろうか?

「そこでぼくらが考えたのは、ストリゴラクトンを改造するのではなくて、寄生植物ストライガのほうにある『ストリゴラクトン受容体(タンパク質)』を調べるということでした。ストライガは宿主が出すストリゴラクトンを感知するための受容体を持っています。両者の関係は、いわば、『鍵(ストリゴラクトン)と鍵穴(受容体)』のようなもの。鍵穴の形を調べて、そこにぴったりフィットするような(ストリゴラクトンとは関係ない)鍵となる分子を作ればいいじゃないか、と」

ストリゴラクトン(鍵)とストリゴラクトン受容体タンパク質(鍵穴)の関係

自殺発芽の仕組み

土屋さんは、ストライガを調べ上げて、ストリゴラクトンを受容するタンパク質を11個、見つけ出した。

「この11個はすべてストリゴラクトンを受容できるので、できれば11個すべてが反応してくれる分子(ストリゴラクトン代替物)を作り出したい。でも順列組み合わせ的に実験して確認するだけでも大変です、11個もあるので……。ぼくは途方に暮れました。そんな時に『伝説のラーメン会議』が開催されたのです」

え? ラーメン会議? 魔女の雑草とか大規模被害とか自殺発芽とか、シリアスな話でここまできたのに、いきなり、ラーメン会議ですかぁ?

「大事な会議だったんです(笑)。今、思えば、あの日がブレークスルーのきっかけになったんですよ」

うーん、ま、とりあえず、続きをうかがいましょう!

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