問題発見力を鍛える

 「問題発見力を鍛える 」(細谷功、講談社現代新書)を読んだ。とある偉い先生がある会議で「学部生向けの演習セミナーで＜問題発見フレームワーク＞を取り上げたら学生の目からうろこが落ちていた。」という話を聞き、それはすばらしいとおもって手近にあった本書をよんでみた。

本書の最も重要な指摘は全体の3/4くらいに出てくる。「他人は多くのものを見落としているので、他人が見えていないものが見えたら」「巷にたくさんある「問題解決フレームワーク」を問題を整理する方法として活用し、その整理結果を複数人で共有するのだ」というあたりであろう。

私の恩師は、野口悠紀雄の「超」整理法などを愛好する自称「整理法マニア」で、いろんな整理法の本が出るたびにいそいそと買い込むものの、特にデスクのあたりが片付いた様子はなく、しばらくすると、いつもの飲み屋で、やっぱだめやね。そろそろ整理法の整理法が欲しいなあ。とおっしゃっていたものである。

私のような不肖の弟子としては、もちろん、「解決すべき本質的な問題とは、簡単には整理、分類、言語化するのが困難なものであり、ある整理法について検討すべきは、その方法がある問題を解決する鮮やかさではなく、問題の解決に失敗する、正しく問題を取り逃がす、取り逃しっぷりであり、そこから真の問題解決に至る糸口を何とかみつけようとする、終わりの見えない問題に取り組む不屈の精神」を見てしまうというよりは、「問題を整理できてしまう（＝解決できてしまう）と、整理法マニアとしての趣味が失われてしまうので、そもそも問題の解決って＝小さな親切、大きなお世話かもしれないのだから、問題を解決＝善とするような、せせこましい問題の設定に対する批判精神」を読み取ってしまうのである。しらんけど。

あと、「問題発見力を鍛える」を読んで問題発見力を鍛えてもらったので、「問題発見力を鍛える」の問題点について考えてみると、本書のようなよくできた「問題発見フレームワーク」で見つかるのは、「問題解決フレームワーク」とかで簡単に解決できそうなしょぼい問題ではなく、解決するのが極めてむつかしい、あるいは、解決できない問題のような気がする。しかし、そのような問題を見つけても（解決できないので）なんの解決にもつながらないのだから、「解決できそうな問題を発見する力を鍛える」方法を指南すべきなのであるが、本書で説明されている「問題発見力」はとても有用なので（ぜひ、読むべし）、「解決できない問題の発見力を鍛え」てしまっているのが本書の最大の問題であるということを発見してみた。本書は、解決できない問題を発見してしまったときに、どうしたらいいのか？それに最後まで付き合い責任を取る覚悟があるのか？という点に関する説明が抜けている。

私の恩師は、通勤途中に読み終わった終わった本をよく、手近な学生にくれたのだが、ミステリ小説が多く、そのなかでも酔いどれ探偵もの（リーバス警部シリーズの血の流れるままに、矢作 俊彦のTHE WRONG GOODBYE ロング・グッドバイ、とか）が多かった。探偵とは「問題発見力」がとても高い人たちである。その中でも酔いどれ探偵とは、「自分が何かを見つけてしまったために、何かを失った」人たちである。殺人事件が起きると、「問題解決フレームワーク」的なやり方で解決が図られるが、探偵はフレームワークが見落とした何かが隠されていることに気づいてしまい、そして、問題が本質的な意味で問題であること、つまり、発見した問題はできたとしても部分的にしか解決しえないこと、部分的な解決をするにしても、関係者、あるいは探偵自身の生活に不可逆的な変化を起こしてしまうこと、を暴いてしまう。もちろん酔いどれ探偵は、「問題にふたをする」という安易な手段は取らず、たいていはかなりイタイ思いをして、部分的な解決まで済ませた後、やれやれといってまた、自分が見落としていたはずの何かを求めて、酒を飲むのである。酔いどれ探偵ものこそ「問題発見力を鍛える」ための生きざまを知る最高かつ楽しいガイドになるのではないか。

反穀物の人類史

反穀物の人類史（ジェームズ・C・スコット、みすず書房）を読んだ。

ティグリス=ユーフラテス川にいた人類は新石器時代に農耕を発明すると、やったあ！とばかりにそれまでのつらい狩猟採集生活をやめて定住し、そこから初期国家の形成にすすんだ。というのが定説だった。日本の歴史でもどういう筋書きになっている。息子のもっている歴史漫画でも、たぶん朝鮮？からやってきた稲作（水田）技術で社会がガラッと変わり、土地や収穫物の収奪が始まって、クニの形成にいたる。というお話が描かれている。

本書によると、この一見完ぺきのようにみえる筋書きは現在破綻しているらしい。筆者は

・ティグリス=ユーフラテス川の流域は非常に豊かな環境であったため、新石器時代の人類は定住して狩猟採集を行っていた。食料獲得法の一つとして初歩的作物栽培も行っていた。

・しかし、作物栽培と定住が始まってから、国家が生まれるまで４０００年もかかった。

という事実に注目する。

われわれは、つらい狩猟採集生活／生産性の高い作物栽培という、現在の観点を敷衍したイメージで物事を解釈してしまうが、これが間違いのもととなっているようだ。日本列島においても５０００年くらいの前の陸稲？栽培の痕跡が見つかっており、弥生時代初期に一気に広がったのは水稲生産技術らしい。しかも、

・耕作は食料獲得法として効率が悪かった（手間がかかった）ので、新石器時代の人類には、すすんで耕作に集中するモチベーションがあったとは考えにくい。

・しかしながら、未知の理由により、新石器時代の人類の一部は作物栽培を中心にした生活を選択した。作物栽培を中心にした生活では栄養が偏るため、平均身長は狩猟採集民より低くなった。また、人口が集中すると病気が発生しやすくなるため、初期農業コミュニティーは度々崩壊したようだ。

・４０００年かけて動物、植物の遺伝子構造と形態を変える家畜化〈飼い馴らし〉と、非常に人工的な環境への人間自身の〈飼い馴らし〉が進み、最終的には圧倒的な生産性を達成して、国家形成の基盤となった。

・また、われわれは国家とその外部という見方をするが、これも偏っている。初期国家が抑えていたのは農作に適した極めて狭い領域であり、その外部には、多様な人々が生活する広い世界が広がっていた。また、両者は相互の交易無しでは存在できなかった。

やはり興味深いのは、効率の悪い耕作をあえて選ぶ動機である。食料採集のさまざまな選択肢をその時々に応じて工夫する活動的なコミュニティーにおいて、みんなやりたがらない、めんどくさい作物、家畜のお世話＆お留守番を、集団として何世代にもわたってすすんで引き受けるのはどういう場合なんだろうか。

おもしろいのは炭水化物ダイエットでよく聞く炭水化物は嗜好品（食べると多幸感があり、大なり小なり依存性がある）説を当てはめるものである。炭水化物欲しさに一心不乱に病気に負けず４０００年頑張ったというのは、一理あるが、炭水化物に依存性がある人類が選択されただけかもしれないので、いまいち弱い。

豊かな狩猟採取生活とは、知識と経験をもとに、毎年変化する状況に応じて工夫する高い能力が必要とされるように思える。ベンチャー企業のアイデアマン経営者みたいな感じ。一方、作物栽培は暦にあわせた作業を継続的に実施する能力が求められるが、そういう仕事が好きな人も多い。そこであえて分業を始めたなどのようなつまらん説明しか思いつかない、誰かがゲームの理論とかでさっぱり、説明してくれる日が来るのが楽しみである。

真核代謝の起源 水素仮説とE3モデル

出芽酵母やがん細胞のとる代謝状態は、「理由はよくわからないがなぜかそうなっているもの」であります。そんな時は、系譜を初期設定にさかのぼってみるのが有効。というのはフーコー先生の教えでもあります。真核生物の起源は、αープロテオバクテリアがアーキア細胞内に共生してミトコンドリアになった20億年前のイベントにさかのぼると考えられています。代謝屋からみますと、この始原αープロテオバクテリアと始原アーキアがどのような代謝経路を持っていたのか？というは大変興味があるところです。

水素仮説

ゲノム情報が蓄積し始めた十数年前に、比較ゲノム解析が行われ、始原アーキアがメタン生産菌のグループに属したらしいことが示唆されました。メタン生産菌というのは海底、湖底や牛の腸内などにいて、水素 H2 と二酸化炭素 CO2 からエネルギーとすべての細胞構成成分を合成できる嫌気性微生物です。酸素があると生きていけません。また、αープロテオバクテリアには、多彩な代謝能力を持つ者がいます。これらをもとに真核生物の起源を説明する「水素仮説」が提唱されました(Nature (1998)392:37-41)。水素仮説を解説した一番面白い本は、ニック・レーンの「ミトコンドリアが進化を決めた」です。

1. 始原αープロテオバクテリア（グルコースを炭素源として酸素を使った呼吸ができるが、酸素がないときにはH2 と CO2を排出してエネルギーを得ることができると想定）と始原アーキア（メタン生産菌）が嫌気条件下で出会う。
2. 始原アーキアは、始原αープロテオバクテリアの排出するH2 と CO2が欲しいので両者はべったりくっつく共生が嫌気条件下で生じる。
3. そのうち始原アーキア（メタン生産菌）は始原αープロテオバクテリアを完全に取り囲み、細胞内共生が始まる。
4. 始原αープロテオバクテリアのグルコース取り込み能力が、始原アーキアに移動する。さらに、始原αープロテオバクテリア（ミトコンドリア）で生成したATPを始原アーキア（細胞質）に輸送するトランスポーターができる。
5. ある日突然、酸素のある条件に移動する。酸素をミトコンドリアが消費してくれるので、始原アーキアでは不可能だった環境でも生育できるようになった！ミトコンドリアが呼吸でATPを効率よく生成できるようになった！
6. めでたしめでたし

というのが「水素仮説」の代謝的シナリオの骨子です。これまでの真核起源研究では水素仮説が強く意識されており、数年前に始原アーキアに最も近いらしい、ロキ古細菌が新たに見つかった時は、水素を利用したメタン生産能力に関わる遺伝子が少なくともゲノムレベルでは備わっていることが、わざわざ論文として報告されました(Nature Microbiology (2016)1 :16034)。

しかし、水素仮説にもいくつか突っ込みどころがあります。

1. 「始原αープロテオバクテリアのグルコース取り込み能力が、始原アーキアに移動する」というイベントの前提として、「環境中にグルコースがあること」があげられます。もし、始原アーキアがグルコース取り込み能力をゲットしてしまうと、始原αープロテオバクテリアと共生をする理由がエネルギーの獲得だけになってしまいます。
2. 「始原αープロテオバクテリア（ミトコンドリア）で生成したATPを始原アーキア（細胞質）に輸送するトランスポーターができた」時点で、依存関係が確立するが、共生のきっかけとなった水素の出番がなくなってしまいます。
3. そもそも、始原αープロテオバクテリアにこの共生関係を行う積極的なメリットがありません。
4. さらに、「ある日突然、その細胞が酸素のある条件に移動する」までに、始原αープロテオバクテリアが酸素を使った呼吸能力を保持している理由が不明です。
5. グルタミノリシスの起源が説明できません。
6. サイズ的には無理があるのですが、酸素から隠れるためには、始原アーキアが始原αープロテオバクテリアに取り込まれたほうがいいような気がする。

どちらかというと、嫌がる始原αープロテオバクテリアを始原アーキアがあの手この手で取り囲み、むりやり共生関係を確立して、最初はあった愛情もお金だけの関係となり、いまではATP生産機関としてこき使っている。という筋書きになりましょうか。「パラサイト・イブ」で描かれたミトコンドリア像に近いものがあります。

E３仮説

先日、水素仮説につづく新設「E3仮説」が日本のJAMSTECの研究者によって報告されました (Nature (2020)577:519-525)。

始原アーキアに最も近いロキ古細菌の1種MK-D1 を海底から採取、培養に成功した。というものです。MK-D1 の代謝も当然詳しく調べられており、水素仮説にちゃぶ台返しをくらわすすごい成果です。

• アミノ酸を食べ、炭素源としてATP生成に用いる。
• グルコースは食べないらしい。フルクトースはFig.1に出てくる。
• 右向き（炭素酸化分解の向き）に回るTCAサイクルを持っているらしい
• 余剰の電子は水素にして捨てている。

とのことで、水素仮説が前提にしていたメタン生産菌とは全く逆の性質です。その他の知見をもとに提案されたのが「E3仮説」です。

1. 始原αープロテオバクテリア（2ケト酸を炭素源として酸素を使った呼吸ができる）と始原アーキア（MK-D1に類似、酸素が嫌い）がちょっと酸素のある微好気的な条件で出会う。
2. 始原アーキアからみると、始原αープロテオバクテリアの周囲は酸素が少ないので心地よい。始原αープロテオバクテリアからみると、始原アーキアから、アミノ酸からアミノ基を除いた2ケト酸をもらえるので、心地よい。という利点があるため、べったりくっつく共生が微好気条件下で生じる。
3. そのうち始原アーキアは始原αープロテオバクテリアを完全に取り囲み、細胞内共生が始まる。
4. 始原αープロテオバクテリア（ミトコンドリア）で生成したATPを始原アーキア（細胞質）に輸送するトランスポーターができる。
5. ある日突然、その細胞が酸素豊富な条件に移動する。酸素をミトコンドリアが消費してくれるので、始原アーキアでは不可能だった環境でも生育できるようになった！ミトコンドリアが呼吸でATPを効率よく生成できるようになった！
6. めでたしめでたし

「E3仮説」が真核代謝の起源を説明する仮説としてすごいのは、がん細胞のグルタミノリシスの起源を説明できる可能性がある点です。がん培養細胞はグルタミンをグルコースの1/5-1/10ほど取り込みます。この窒素を除いた2－ケトグルタル酸がミトコンドリア中のTCAサイクルに流入し、エネルギー源として利用しています（MK-D1はグルタミンを資化しないようですが、そこは拡大解釈してます）。もしこの性質がミトコンドリアの起源にまで遡るとすると、がん培養細胞におけるグルタミノリシスは、一種の先祖返り？と言えるようになるかもしれません。

一方、「E3仮説」にもいくつかまだ検証が必要そうな点があります。

• MK-D1が始原アーキアにかなり近縁だったことは間違いなさそうですが、始原アーキアそのものではもちろんなく、培養できた最初の一例であるという点です。ロキ古細菌は、見つかった時点で新たに「ロキ古細菌門」という門を新設しました。これは、「脊索動物門」と同レベルですので、MK-D1で見つかったことをロキ古細菌門全体の特徴としていいのかは疑問が残ります。代謝はばらつきの大きい形質です。
• MK-D1が生育する環境中にアミノ酸がそんなにあったりするのか？深海の海底の泥はカザミノ酸のような富栄養化された環境なのか、とても、疑問であります。むしろ、MK-D1が他の生物を捕食し、分解する。というのなら話のつじつまがあいます。次の論文はおそらくそれじゃないかと期待している次第です。
• サイズ的には無理があるのはわかっています。わかっているんですが、酸素から隠れるためには、始原アーキアが始原αープロテオバクテリアに取り込まれたほうがいいような気がする。

今後、MK-D1のゲノム情報がKEGGなどに収録され調べやすくなると妄想がより一層膨らみ、今後のさらなる成果がわれわれの代謝に対する見方に大きく影響することになるでしょう。楽しみです。また、最も原始的な真核生物の代謝も、調べてみないといけないですね。

真核代謝の謎

代謝の設計原理の理解は、代謝に関する「予測」をするために重要です。例えばバクテリア（大腸菌など）は、他のバクテリアと資源の競合が起きたとき、他のバクテリアを殺す・食うという方法をとるよりは、他のバクテリアよりも速く増殖する。という戦略をとっていると考えられています。そこから、ゲノムサイズは小さいほうがいい、などの観察結果が説明されます。

これを「代謝の設計原理」に読み替えると、

・バクテリア（大腸菌など）の代謝フラックス分布は「増殖が最大になるように」最適化されているはず。

という仮説が立ちます。そこで、フラックスバランス解析法という化学量論（化学反応式）に基づく代謝シミュレーション法では、

・増殖最大を目的関数として、線形計画法で代謝フラックス分布を最適化

しています。経験的にこの方法で最適化すると、実際の代謝フラックス分布によく似た結果が得られるので、経験的に仮説が実証されました。

すると、代謝酵素の遺伝子を破壊した時や、代謝酵素の阻害剤を処理した時の代謝フラックス分布も、その条件下で、増殖が最大になるように代謝フラックス分布を最適化することで予測することが可能となります。これが、無茶苦茶便利なため、必須遺伝子といった基礎研究が、代謝工学、創薬などの応用研究に活用される原動力となりました。

一方、真核生物の出芽酵母は、酸素がある状態でも、あえて呼吸というエネルギー獲得効率のよい酸素が必要なATP再生方法（最終産物はCO2）をあまり使わず、発酵というエネルギー獲得効率の悪い、酸素が不要なATP再生方法（最終産物はエタノール）を用いることが知られています（クラブツリー効果といいます。）。大体取り込んだグルコースの8割程度をエタノールに変換しています。

「増殖最大」を実現するには、呼吸のほうのが圧倒的に有利なため、酵母の代謝は「増殖最大」とは、異なる原理で動いていることになります。出芽酵母は自然界ではふわふわと空気中を漂っており、花の蜜や果物の汁があるところにうまく到達すると、その環境のグルコースをいち早くエタノールに変換して周囲にバラマキ、他の菌の侵入を防ぐことで、その場のグルコースを総どりします。最終的には、エタノールも再び取り込み、呼吸でエネルギーに変換する。という生存戦略をとっていると考えられます。そこから、「エタノール生産最大」という目的関数で最適化をすると、呼吸がゼロという現実とは異なる結果となってしまいます。そこで、「必要酵素量効率化説 (Mol Syst Biol (2009)5:323)」「栄養源輸送上限説 (Mol Syst Biol (2011)7:500)」「自由エネルギー生成上限説 (Nature Metabolism (2019)1:125-132)」など、他の目的関数や制約が提唱されていますが、これだ、という決定版はまだわかっていません。

がん細胞となると、謎はさらに増えます。出芽酵母のクラブツリー効果に相当するワールブルグ効果という現象が知られています。少なくともこれまで我々が調べた、１３種のがん培養細胞では、取り込んだグルコースの8割以上を乳酸に変換して細胞外に排出していました。さらに、全てのがん培養細胞はグルコースの1/10～1/5程度のグルタミンを取り込んで、炭素源として代謝しエネルギーを得ていました。しかし、グルコースを基質とした呼吸を行えば必要なATPを得られるのに、あえて効率の悪いクラブツリー効果やグルタミノリシスを行っているのか？という点について、合理的な説明ができていません。つまり、代謝の設計原理の理解がわからないため、がん細胞の挙動について、代謝という観点から「予測」することもできていないのが現状です。

そこで、がん培養細胞の代謝設計原理を解明するため、まずはファクト＝データの収集から始める。という作業を行っています。