概要

大阪大学大学院生命機能研究科の寺原直矢特任助教（常勤）、南野徹准教授、難波啓一特任教授（常勤）、金沢大学理工研究域バイオAFM先端研究センターの古寺哲幸准教授、安藤敏夫特任教授、名古屋大学大学院理学研究科の内橋貴之教授の共同研究グループは、細菌べん毛モーターのエネルギー変換装置である固定子複合体がナトリウムイオンを感知して活性化し、モーターに組み込まれるしくみを世界で初めて明らかにしました。

バクテリアはべん毛と呼ばれる回転分子モーターを使って最適な環境へ移動します。べん毛モーターは回転運動マシナリーとして働くだけではなく、環境変化を感知するバイオセンサーとしても機能します。そのため、べん毛モーターが環境変化を感知するとバクテリアの細胞分化が誘導されたり、バイオフィルムと呼ばれる細菌社会が形成されます。これまでに、べん毛モーターが回転するしくみについては詳細に解析されていますが、バイオセンサーとして働くしくみについては長い間謎でした。最近、べん毛モーターの固定子複合体が外環境変化を感知し、回転子リング複合体の周りに配置される固定子の数を自律的に制御することがわかってきました。しかしながら、膜タンパク質である固定子複合体はその取り扱いが大変困難であったため、詳細なしくみは不明でした。

今回、共同研究グループは、固定子複合体を単離精製することに成功し、高時間高空間分解能で生体分子の観察が可能な高速原子間力顕微鏡を用いて、世界で初めて固定子複合体1分子の振る舞いをリアルタイムで可視化することに成功しました。モーターを回転させるために必要なエネルギー源であるナトリウムイオンが結合すると固定子の一部が規則正しく折りたたまれ、その結果モーターに組み込まれることを明らかにしました。本研究成果は、高効率で回転するモーターの回転機構の解明への第一歩とともに、生体内のナトリウムイオン正確に測定できるバイオセンサープローブへの応用や、ナトリウムイオンによって生体分子の機能をON/OFF制御できるナノデバイスへの応用が期待されます。

研究の背景

大腸菌やサルモネラ属菌などの多くの細菌は、べん毛と呼ばれる細い長いらせん状の繊維を菌体から生やし、回転させることによって様々な環境を移動します（図1）。その根元には、人工のモーターに非常によく似た回転分子モーターが細胞膜の中に存在します。べん毛モーターは回転子と固定子から構成され、これらの相互作用によってモーターが回転します。モーターのエネルギー源は細胞の外から内に流れるイオン流で、固定子はこのエネルギーを回転力に変換します。その変換効率はほぼ100％で、大変高性能なナノマシンです。さらに、べん毛は環境変化を感知するバイオセンサーとしても働き、水の中を泳ぐモードから固体表面を移動するモードへと細胞を分化誘導したり、バイオフィルムと呼ばれる細菌社会の構築を誘導したりします。

本研究の成果

本共同研究グループは、固定子の中でもバチルス属細菌が持つ、ナトリウムイオンで動くMotPS複合体に着目しました。MotPS複合体はナトリウムイオンを感知して固定子として働くことができます。これまで単離精製が困難だったMotPS複合体の精製に成功し、高速原子間力顕微鏡によりこの複合体の動態計測を行いました。その結果、MotPS複合体は大きな楕円状のドメインと小さな楕円状のドメインがリンカーで繋がった分子形態をとっていること（図1）、大きいドメインが細胞膜ドメインで、小さいドメインがペプチドグリカン結合ドメインであること、ナトリウムイオンが存在しない時はペプチドグリカン結合ドメインの立体構造が解きほぐされてひも状になり、ナトリウムイオンを添加すると再び折りたたまれてきちんとした立体構造をとること（図2）、リンカー領域が最大で5nm伸びたり縮んだりすることなどを明らかにしました。以上の結果から、ナトリウムイオンがペプチドグリカン結合ドメインに結合するとこのドメインは折りたたまれて立体構造をとり、その結果MotPS複合体がモーターに組み込まれてナトリウムイオン駆動型の固定子として働くことが示唆されました。（図3）。

研究成果のポイント

• 細菌べん毛モーターを回す固定子複合体の動的構造変化を高速原子間力顕微鏡で解析することにより、固定子複合体が外環境のナトリウムイオンを感知してモーターに組み込まれるしくみを解明
• 精製が困難であったため、固定子複合体がナトリウムイオンを感知できるしくみは不明であったが、固定子の一部がナトリウムイオンによって機能構造を形成することを発見
• 生体内のナトリウムイオン濃度を正確に計測できるセンサープローブの開発などに期待

本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）

細菌べん毛モーターはおよそ30種類のタンパク質から作られる超分子複合体のナノマシンで、機械工学や医療の分野で大変注目を集めています。私たち人類の科学力ではまだ人工的に作れませんが、細菌という単純な生物がはるか昔からこのような高性能マシンを作り利用していることに驚かされます。

本研究では高速原子間力顕微鏡観察によって、モーターの心臓部である固定子複合体1分子の振る舞いをリアルタイムで捉えることに世界で初めて成功しました。固定子はモーターを回転させるために必要なエネルギー源があるときのみ活性化しモーターに組み込まれるというように、「今使えるエネルギー」を選択していることを明らかにしました。今後、このような外環境変化を感知して効率的にエネルギーを変換するしくみを利用して、生体内のナトリウムイオン濃度を定量的に計測できるバイオセンサープローブの開発や、ナトリウムイオンで生体分子の機能をON/OFFできるデバイスの開発など、機械工学や医療分野への応用が期待されます。さらに本研究成果は、高効率で環境に優しいイオンエネルギーを利用するべん毛モーターの回転機構の解明への大きな第一歩となりました。べん毛モーターから学ぶ人工ナノマシンの設計にも大いに役立つと考えられます。

特記事項

本研究成果は、2017年11月2日（木）午前4時（日本時間）に米国科学誌「Science Advances」（オンライン）に掲載されました。

なお、本研究は、科学研究費補助金、科学技術振興機構戦略的研究推進事業CRESTおよびさきがけ研究の一環として行われ、金沢大学大学院理工研究域　安藤敏夫教授と古寺哲幸准教授、さらには名古屋大学大学院理学研究科　内橋貴之教授の協力を得て行われました。