｢環境DNA分析｣で水環境･資源の保全に貢献 龍谷大学先端理工学部で実践する研究と教育

水産業に革新をもたらす「環境DNA分析」

水環境の保全や水産資源の保持は、人類が地球規模で取り組むべき重要な課題であり、国連が定めた「SDGs（持続可能な開発目標）」の中にも、海洋資源の保全や食料の安定確保が掲げられている。これらの解決に貢献するかもしれないとして、今、「環境DNA分析」への関心が高まっている。

「『環境DNA』とは、土や水、空気など環境中に含まれるDNAを指します。例えば海や川の水中には、そこに生息する生き物から剥がれ落ちた表皮や排泄物、体液が浮遊しています。その水を採取して濾過し、DNAを抽出、解析すると、いつ、どの場所にどんな種がどれだけいるかを推定できます」。そう説明するのは、龍谷大学先端理工学部の山中裕樹准教授だ。

龍谷大学 先端理工学部
環境生態工学課程
山中裕樹 准教授

山中准教授が、魚の生態を追跡するのにDNA解析を応用することを思いついたのは、大学院を修了し、魚類研究者としてスタートを切ったばかりの頃だった。「それまでも微生物などの目に見えない生物の存在を突き止めるためにDNA解析が用いられていましたが、水中に魚のような大きな生き物のDNAが含まれていることには誰も目を向けていませんでした」と言う。水の中に見えない魚の足跡を見いだした、まさしく山中准教授らの慧眼が画期的な分析手法の開発を生んだ。

初期の研究では、水から抽出した環境DNAの中から、特定の魚のDNAだけを増幅して検出し、その有無や量を測定する分析方法が主に用いられていたが、やがて魚全般のDNAを網羅的に増幅・解読したうえでデータベースと照らし合わせて種の同定ができる技術が開発されたことで、解析技術は大きく進展。1つの試料から複数の種のDNAを一挙に検出できるようになり、その水域にどんな種類の魚が生息しているのかを把握できるようになった。「環境DNA解析によって、魚を捕獲して1匹ずつ分析する従来の方法とは、比較にならないほど時間も労力も軽減されました。何より水環境や生態系への影響を最小限に抑えることができます。現在は魚だけでなく、哺乳類などの分析もできるようになってきました。いずれはコップ1杯の水からその水域の生態系を明らかにすることも可能になるでしょう」と山中准教授は未来を描く。

環境DNA分析にひときわ関心が集まる理由は、産業への応用可能性にある。とくに水産業にもたらす影響は計り知れない。「この手法を活用すれば、魚が生息している時期や場所を推定し、いつ、どんな魚がどこでよく捕れるのか、漁場や漁獲量を予測することができるようになるかもしれません」と山中准教授。加えて水産資源の保全という観点でも、環境DNAの果たす役割は大きいという。魚の種類や量を時系列で追うことで、その種の増減を把握できる。絶滅や激減が危惧される種を特定し、漁獲量や場所を調整できれば、持続可能な漁業、ひいては水環境の保護にもつながる。

魚の成長段階や健康状態を「水」から読み解く新技術

開発から10年、環境DNA分析技術は、今、目覚ましい進展を見せている。2020年、山中准教授らの研究グループは、魚類など脊椎動物由来のメッセンジャーRNA（mRNA）を水試料から検出できることを世界でも早い段階で実証した。水中に含まれているmRNA量は、DNAに比べて非常に希少なうえに分解が速いため、検出は難しいとされてきたが、それを見事に成功させたのだ。

mRNAを検出できると、どういうメリットがあるのだろうか。「種が同じなら、若い個体も年老いた個体もDNAは同じです。一方mRNAは、特定の時期やイベントに必要なタンパク質が合成される際に一時的に作られる核酸物質であり、個体の状態によって体内で作られているmRNAは異なります。それを読み解くことで年齢や病気の感染履歴、空腹かどうかなど、個体の状態を推定できると考えています。解析技術が確立すれば、例えば性成熟期や産卵期の魚が多い生息域を特定して捕獲を控えたり、養殖場をモニタリングして感染症の発生を抑えたり、餌の量を適切にコントロールしたりすることも不可能ではなくなります」と展望する。

すでに環境DNA分析の社会実装が進みつつあり、この技術を使ったアセスメントを事業とする企業も登場している。「今後は最適な分析方法を確立し、分析品質の維持や指標の統一に寄与することも私たちの務め」として、山中准教授は標準プロトコルの構築と継続的な改良を進めている。さらには「環境DNA、RNAを解析する新規技術の開発に挑みたい。今以上に解析精度を高め、それまで検出できなかったものを検出できるようにするのが、研究の醍醐味です」と目を輝かせる。

新しい分析技術を身に付けた人材を育成する先端理工学部

こうした先端領域の研究に触れられるのが、龍谷大学先端理工学部だ。同学部では、国内理工学部の中でも早い段階に「課程制」を導入。25のプログラムから自由に選択し、分野を横断して学べるカリキュラムを整えている。その中の1つ「先端環境モニタリング」では、環境DNAのほか、安定同位体分析など、環境や生物をモニタリングするさまざまな手法を習得する。「生態学に関わる分析技術だけでなく、工学や情報科学など分野を超えて幅広い技術を身に付けられるのが、このプログラムの魅力です」と山中准教授。もちろん山中准教授をはじめとする多様な研究者から直接指導を受けることが、かけがえのない学びになる。

今後、水産資源管理や環境アセスメントの分野に環境DNA分析の導入が進めば、それを実践できる人材も必要になる。「先端理工学部からそうした分野に先端の技術と知識を持った人材を輩出していきます。分野横断型の学びや調査研究といった実践的な学びを通じて専門分野や価値観の異なる人々をまとめ、物事を前に推し進められる、あるいは問題を論理的に考え、適切な方法や手段を導き出し、解決までたどり着ける。そんな力を備え、社会の広い分野で活躍できる人材の育成に尽力していきます」と山中准教授。龍谷大学先端理工学部の研究と教育に期待が高まる。