まさに，「瓢箪から駒」の生命現象に遭遇した．細胞の中でバイオプラスチックを合成させると同時に，シャボン玉のようにメンブレンベシクル（MV）が飛び出すとは，全く想像もできない出来事であった．正確に解説すると，生分解性プラスチック素材であるポリヒドロキシブタン酸（PHB; polyhydroxybutyrate）⁽¹⁾1) 田口精一：化学と生物，58, 4 (2020).を大腸菌で組換え生産させると高分子量ポリエステルとして細胞内に蓄積する．この実験は，PHBの生合成遺伝子群を搭載したプラスミドを大腸菌に導入すれば簡単に再現できる．最終的にシャーレ上にプラスチックフィルムとして成形加工できることから，学生実験の題材として好評である．日頃から，PHB生産大腸菌の培養液中に発生した多くの泡が長時間消えないことが気になったので，泡をすくって走査型電子顕微鏡で眺めたところ，細胞表面に多くのイボ状の隆起物を観察したことがきっかけとなり，詳細に生化学的に追究して行った結果，MVに辿り着いた⁽²⁾2) S. Koh, M. Sato, K. Yamashina, Y. Usukura, M. Toyofuku, N. Nomura & S. Taguchi: Sci. Rep., 12, 3393 (2022).．MVも，微生物に留まらず様々な生命現象に関与する細胞外オルガネラという概念で認識されており，その研究の歴史は長い⁽³⁾3) Y. Tashiro: Biosci. Biotechnol. Biochem., 86, 967 (2022).．球状ナノ小胞体であるMVは，微生物自身の細胞膜が湾曲して“細胞外”へ放出されるのに対して，PHBは“細胞内”で合成・蓄積される．多くの研究者が，目的産物である“細胞内”のPHBだけに着目することが多く，“細胞外”に目を向けられることはほとんどなかった．今回，培養上清液を捨てずに調べたことが功を奏してMVの存在に気付くことができた．PHBの微生物合成研究史上，初めての報告である．この新発見により，これまで目的化していたPHBの合成が，MV創発の手段になるという，「コペルニクス的転回」を経験した．ここでは，本現象が与えるインパクトを基礎と応用の両面から述べたい．

まず，「なぜ，PHB合成によってMVが発生するのか？」である．これまで，炭素源として利用しているグルコースの添加量に応じてPHBの細胞内合成量を調節できることはわかっていた．今回，驚いたことに，MVの発生量もPHB合成量と極めて高い相関（R²＝0.99625）を示すことがわかった（図1A図1■PIA-MVP (Polymer-Intracellular Accumulation-induced Membrane Vesicle Production) の発生モデル）．このことは，添加するグルコースの濃度に応じて，MVの生産量を精密に調節できることを意味している．さらに解析を進めると，この正の相関（PHB合成とMV発生との間の因果関係）は，大腸菌細胞の体積増大とも連動しており，最終的にPHBの細胞内での合成蓄積が“引き金 （トリガー）”となって誘発されるMVの発生モデル「Polymer-Intracellular Accumulation-induced Membrane Vesicle Production：PIA-MVP」を，我々は新たに提案した（図1B図1■PIA-MVP (Polymer-Intracellular Accumulation-induced Membrane Vesicle Production) の発生モデル）⁽²⁾2) S. Koh, M. Sato, K. Yamashina, Y. Usukura, M. Toyofuku, N. Nomura & S. Taguchi: Sci. Rep., 12, 3393 (2022).．

図1■PIA-MVP (Polymer-Intracellular Accumulation-induced Membrane Vesicle Production) の発生モデル

(A) グルコース添加量によって調節可能な細胞内PHB蓄積量とMV発生量との相関関係を示した.(B) PIA-MVPの推定メカニズムを示した. PHBの合成蓄積を引き金としてエンベロープストレスが生じ， その結果としてMVが発生する. 本機構によって生じるMVには, 大きく2種類が混在する. 大腸菌外膜が湾曲して放出される単層MVと，内膜と外膜の多重膜からなる多層MVが透過型電子顕微鏡によって観察されている.

これまで報告されてきたMVの発生は，多様なトリガーによって引き起こされる，いわゆる「Envelope stress」の結果，細胞膜が湾曲して出芽するブレビング（blebbing）によって説明されている⁽⁴⁾4) C. Shwechheimer & M. J. Kuehn: Nat. Rev. Microbiol., 13, 605 (2015).．具体的なトリガー要因には，内膜と外膜間の架橋結合の欠損変異，ペリプラズム内でのミスフォールド蛋白質蓄積変異による膜構造異常，クオラムセンシングに関わる疎水性シグナル分子の膜挿入による外膜湾曲，グリシン外部添加による細胞壁生合成の阻害などが挙げられる．しかしながら，これらは“Living cell”の動的な現象を対象としているので，そのプロセスを逐次瞬間的に捉えることは極めて困難である．

それに対して，近年，細胞の破裂に伴ってMVが発生する“Dead cell”を対象としたExplosive Cell Lysis（ECL）が提唱された^{(5, 6)}5) L. Turnbull, M. Toyofuku, A. L. Hynen, M. Kurosawa, G. Pessi, N. K. Petty, S. R. Osvath, G. Cárcamo-Oyarce, E. S. Gloag, R. Shimoni et al.: Nat. Commun., 7, 11220 (2016).6) M. Toyofuku, L. Eberl & N. Nomura: Nat. Rev. Microbiol., 17, 13 (2019).．ECLのトリガーは，細菌に感染したファージが細胞内から細胞外へ放出されるために使用する細胞壁分解酵素（エンドリシン）である．このエンドリシンの作用により細胞が破裂し，死に至る過程で細胞膜が再会合することでMVが形成される．

一方，今回のPIA-MVPでは，トリガーとなるPHB合成を起点として生じるMV発生までの「Envelope stress」の機構を解明することが焦点となる．本研究では，グルコースの添加量によって，ストレスの強度（PHB蓄積量）を精密に制御しながら発生するMVの量と質（構成成分やそれらの存在状態）を解析することは容易であり，PIA-MVPのアドバンテージである．すなわち，上記の他の事例が，一回性のMV発生機構を追究するのに対して，再現性よくストレスの強度を調節しながら，MV発生状態を定量的に対応付けることが可能である．例えば，グルコースの添加量を検討して，“Living cell”と“Dead cell”の狭間（境界・臨界点）を見出すことが可能であろう．つまり，先に大別した2つのMV発生現象を人工的にミミックすることになるかもしれない．

応用の観点からは，上記の知見をよく理解した上で展開したい．まず，“Living cell”でMVを連続生産できるシステムの開発である．ワクチンやドラッグデリバリーシステムをはじめ多様な用途は可能であるが，創発するMVを「均一ロット」で安定的に連続生産できることが工学的に重要である．

さて，本成果⁽²⁾2) S. Koh, M. Sato, K. Yamashina, Y. Usukura, M. Toyofuku, N. Nomura & S. Taguchi: Sci. Rep., 12, 3393 (2022).は，本現象を発見した時点から論文受理に至るまで，わずか“6ヶ月”という短期間で進行した．この裏には，多くの共同研究者との出会いがあったからである．まず，MV発見の決定的瞬間を電子顕微鏡で捉えて下さった佐藤講師（明治大学），そして，PHB生合成とMV発生の関係について代謝の観点からご指摘頂いた蓮沼教授（神戸大学），先に紹介したECLの提唱者である野村教授，豊福准教授（筑波大学）とは，今回提唱したPIA-MVPの本分野での位置付けについて熱い議論をすることができた．特に，ECLが自然発生的に観察される事象に対して，PIA-MVPが，PHB合成を目的とする人工的に構築した微生物システムから生まれた点に議論が集中した…，いずれにしても，MVの工学的な応用展開だけなく，生命システムにおける「生と死」という大命題を論じる上でも，一石を投じることになれば幸いである．