科学者は長らく、共通する形態学的特徴に基づいて生物を分類してきた。しかし、現代の分類学、特に細菌に関しては、その大部分が遺伝子レベルで定義されている。それでも、遺伝子に符号化された情報は、生物学的な多くの階層へと伝播する。すなわち、遺伝子は遺伝子発現とタンパク質産生のパターンを決定し、それが細胞の生理状態と挙動へと影響を与え、さらに増殖中の細胞集団の集合的な形態へと影響が及ぶ。低レベルの分類学的情報が、この階層のどこまで保持されているのかは不明である。ここでは、成長する細菌集団の三次元トポグラフィの違いから、細菌属を同定できることを示す。ナノメートル分解能が可能なコヒーレンス走査白色光干渉計（WLI）を用いて、4つの異なる属を代表する77の異なる臨床分離株の細菌集団トポグラフィを測定した。次に、表面構造を記述する、生物物理学的に関連する10の特徴量を抽出した。単純な機械学習分類器を用いることで、これらのトポグラフィ特徴量から細菌属を97%の精度で同定でき、属レベルの情報が集団の形態のスケールで依然として保持されていることを示した。これらの生物物理学的な「指紋」が、細菌の成長の基盤となる生物物理学的な差が、集団構造として測定可能な差へと上方に伝播することに起因すると仮定する。この仮説を検証するために、細菌集団成長の生物物理学的シミュレーションを行い、実験で訓練した分類器を得られたシミュレーション上のトポグラフィに直接適用した。シミュレーションのパラメータを系統的に変更し、実験で観察された各属として分類されるトポグラフィを生成するのに必要な変化を特定した。細胞の成長、細胞—表面相互作用、初期条件に関する比較的少数の違いで、実験で観察される属に関連した差を再現できることを見いだした。さらに、シミュレーションから得たトポグラフィ特徴量を用いることで、トポグラフィを生成するために使用した基礎となるパラメータを復元できることを示した。これらの結果を総合すると、低レベルの細菌挙動の違いが集団スケールの形態へと異なる形で伝播し、細菌の同一性が従来は分子スケールで定義されてきたはるか上の階層においても、分類学的情報が回復可能な状態として残りうることが示される。
https://doi.org/10.64898/2026.03.12.711416