大学院生だったクリスティン・ボーマンは、学位を取得するためにいくらかの“犠牲”を払ったことがある。ヒルがはびこるマダガスカルの沢に足を踏み入れたことも、そのひとつだった。動物の血を吸うヒルの内臓を分析して付近に生息する野生動物の遺伝学的な情報を集めるために、彼女はヒルを自らの素肌に吸い付かせたのである。

「初めて成功した「空中からのDNA採取」が、地球の生物多様性に貢献する」の写真・リンク付きの記事はこちら

「自ら生き餌となったわけです」と、現在はコペンハーゲン大学の准教授として進化ゲノミクスを研究するボーマンは語る。「ヒルは熱帯雨林に暮らす動物の血を吸って養分にしています。DNAの素晴らしい保管者なのです」

こうした環境中に存在する生物由来のDNA（環境DNA、eDNA）について、ボーマンの研究チームと別の大学の研究チームは、これよりもっと簡単に採取する方法を発見した。

具体的には、それぞれ別の動物園の敷地内と周囲にエアフィルター装置を設置し、空中を漂う微細な遺伝物質を採取する。そして装置から小型フィルターを取り出し、シーケンサーでDNAを増幅したのだ。この結果、園内で飼育されている数十種の生き物のほか、動物園周辺に生息するリスやネコ、ハリネズミなどの動物の遺伝子マーカーを検出することに成功した。

同様のeDNAサンプリング技術は、これまで河川や海に生息する魚などの生物の遺伝物質を検出する目的で用いられてきた。この技術が空気中から哺乳類のDNAを採取する目的で用いられたのは、今回が初めてとなる。

「次のステップは、自然の環境下でこの技術を使うにはどうすればいいか、また異なる生息地や生態系でも使えるようにするにはどうすればいいか考えることです」と、ボーマンは語る。「これにはとてもワクワクします」

ふたつの動物園で実施された実験の結果は、2022年1月6日付の学術誌『Current Biology』に掲載されている。ひとつはボーマンらコペンハーゲン大学のチームの論文、もうひとつはロンドンのクイーン・メアリー大学とトロントのヨーク大学の共同研究グループの論文だ。

フィルターでDNAを採取

コペンハーゲン大学のチームは、1回につき3台のエアフィルター装置を30時間稼働させた。その結果、哺乳類30種、鳥類13種、魚類4種、両生類1種、爬虫類1種の計49種の脊椎動物のDNAが検出された。動物園で飼育されているオカピやアルマジロ、熱帯雨林ハウスの池に生息するグッピーといった生き物のほか、ドブネズミやハツカネズミといった害獣のDNAもあった。さらには、空中に舞い上がった園内の動物の餌となる魚の微細なDNAも検出されている。

ボーマンのチームが空気をサンプリングしたコペンハーゲン動物園のナマケモノ

PHOTOGRAPH: CHRISTIAN BENDIX

一方、英国の研究グループは、英国のケンブリッジ近郊にあるハマートン動物園の周辺の空気を採取した。1回あたりの採取時間は30分だったが、動物たちの動きを追跡できるかどうか調べるために、フィルターの設置場所は変えている。

ヨーク大学の生物学の准教授でこの研究を主導したエリザベス・クレアによると、チームは72件のサンプルを採取した。そしてほんのわずかしかない遺伝物質を、遺伝子マーカーで動物の種類を特定できるくらいにまでポリメラーゼ連鎖反応（PCR）と呼ばれる技法で増幅させたのだ。

DNAフィルターは、コーヒーフィルターと同じように機能するのだとクレアは説明する。「空気は通りますが、微粒子は引っかかるはずです。コーヒーフィルターをお湯が通り抜けても、コーヒー粉が残る原理と同じですね。空気中に漂うDNAや細胞、微細な組織片をフィルターで捕えるのが目的です。そして無菌実験室でチューブを開け、小さなフィルターを取り出し、そこからDNAを直接抽出します」

こうしてヨーク大学の研究グループは、25種の動物のDNAを検出した。そのうち17種はテナガザル、ディンゴ、ミーアキャット、ナマケモノ、ロバなど、動物園で飼育されている動物だった。このほかに餌を求めて園内に入り込んだと思われるリスやハリネズミといった外部の動物のDNAも検出された。

また研究グループは、動物園の動物は特定の場所にいるだけでなく、空間を移動していることも検出できた。空中からDNAを採取する技術は、近いうちにフィールドワークでも使われるようになるとクレアは考えている。人間による開発から守るため、絶滅危惧種の生息地や繁殖場所、移住地を調べている生物学者たちにとって、この技術は大きな助けとなるだろう。

空気サンプリング装置を眺める動物園のディンゴ

PHOTOGRAPH: CHRISTIAN BENDIX

哺乳動物の追跡が可能に

野生動物の研究者は、動物を追跡する適切な方法を長年にわたり探してきた。これまで研究者は、野生動物の通り道とわかっている場所に「カメラトラップ」をいくつか仕掛け、めったに姿を見せない警戒心の強い動物や夜行性の動物を撮影したり、動物がどこにいるか、何を食べているかを知る手がかりとなるふんや排泄物の痕跡を探したりしてきた。川岸のぬかるみや積もった雪、砂漠の表面に残された足跡の観察も定番の調査方法だ。

しかし、多くの生物学者にとって、日に何マイルも移動し、人間を警戒する哺乳動物を追跡することは難しい。そこでeDNAの出番である。

「生態系を修復したいなら、自分たちの保護活動が絶滅危惧種や絶滅が懸念される生き物に与えている影響を理解しなければなりません。そのために、希少で警戒心が強く謎の多い種を含め、あらゆる生き物を検知できるようにする必要があります」と、米農務省森林局（USFS）の野生動物および魚類保護のための国立ゲノミクス研究所でシニアサイエンティストを務めるマイケル・シュワルツは説明する。「空気中の環境DNAを検出できるような新たな技術が必要なのです」

シュワルツは両大学の研究には関与していないが、オオクビワコウモリ（学名：Eptesicus fuscus）を追跡するために、空気、水、土壌のサンプルを採取して調べてきた。オオクビワコウモリは、06年に米国に上陸したカビを媒介とする「白鼻症候群（white-nose syndrome、WNS）」の流行により個体数が激減している。

シュワルツと彼のチームは、コウモリが生息する洞窟付近の土と水から採取したeDNAの調査結果を、21年9月に学術誌『Biological Conservation』で公開している。このプロジェクトの一環として、シュワルツのチームは空気中のサンプルを採取する装置を使い、オハイオ州にあるコウモリの施設でDNAを採取できないか試みている。

調査結果によると、採取したサンプル7件のうち6件からeDNAが検出された。ところが、室内には30匹のコウモリがいたにもかかわらず、検出物質の濃度は低かった。

シュワルツのチームは空気中からサンプルを採取する技術の改善と、雪の中から微量のDNAを採取する技術の開発に取り組んでいるという。これがうまくいけば、表層の雪から最近その場所を通った動物を特定できるようになるだけでなく、下のほうの雪を調べることで数カ月前にその場所を通った動物の痕跡も見つけられるようになるという。

この研究プロジェクトの成果の一部を、シュワルツのチームは19年に『Biological Conservation』誌で発表している。オオヤマネコのような用心深い捕食動物の動きを雪に残った痕跡から調べる手法は費用対効果に優れ、効率的で正確だとシュワルツは言う。

個人の追跡には向かない

空気中のDNAをサンプリングする技術で、特定の個人の遺伝物質を追跡することはできるのだろうか。理論上は可能だが、実用的には「ノー」であると、専門家は指摘する。

「可能ではありますが、難易度は上がるでしょうね」と、マギル大学准教授でエコゲノミクスを専門するメラニア・クリステスクは言う。彼女はeDNAのサンプリングで、水中生物の生息地の調査をしている。

人の場合は空気中から採取したDNAよりも、残された体毛や唾液、血液などから採取したDNA片を分析するほうが簡単だ。実際にスイスの研究チームは最近、第一次世界大戦の時代に貼られたはがきの切手からDNAを採取し、ある家族の家系にまつわる謎を解明した。これは特定の状況下における遺伝物質の安定性を示している。

一方、空気中からDNAを採取する場合は、分析できるほど大きな遺伝物質を採取するには時間がかかる上、研究者はフィルターに自分のDNAが混じらないよう細心の注意を払わなければならない。

それに空気中のDNAは、天候の影響も受ける。例えば、雨や風に見舞われると、DNAを含む粒子が飛ばされて採取が難しくなる可能性がある。そうした微粒子が熱や強い日差しにどれだけ耐えられるかもわかっていない。

「太陽放射はおそらくDNAを劣化させるでしょう。ただ、それがどの程度かはわかっていません」と、クレアは言う。「風がどこまでDNAを運ぶのか、気温が劣化の度合いにどう影響するのかはわかりません。これはいずれも非常に興味深い問題です」

生物多様性を保つ鍵

ボーマンとクレアは、動物園での実験が始まったばかりであり、サンプリングの手法と関連技術を改善できるよう研究を続けたいと語る。eDNAの分野は急速に進化している。研究者たちはいずれこの技術を、外来の動植物が特定の地域に入ってきているかどうか判定したり、野生動物が移り住んだり餌場にしたりするようなジャングルや森林を保護する必要があるかどうか判断したりする目的で活用できるようになると考えている。

動物がいる場所を特定するだけでなく、長期的な行動パターンを把握することは、動物の生息地を開発から守り、地球の生物多様性を保つ鍵であると研究者たちは語る。

「いまある手段のほとんどは、人がいるときに動物に出てきてもらわなければなりません。例えば、カメラトラップを仕掛けても、カメラの前を通ってもらう必要があります。カメラの後ろを通ったら、そこに動物がいることには気づけません」と、クレアは言う。「DNAを調べるのは直接環境にかかわらない方法です。動物がその場所にいたのが1日前、2日前でも存在を確認できます。その場に残された足跡のようなものですから」

（WIRED US/Translation by Mitsuko Saeki/Edit by Nozomi Okuma）