大型放射光施設 SPring-8

公開日

2019年03月20日

2019年3月20日
大阪大学

【研究成果のポイント】
・ 病原菌などの細菌が粘液中や宿主細胞表面など粘性の高い環境を移動するにはFliL^※1という膜蛋白質が必要。
・ FliLは細菌べん毛モーターの出力を強化すると言われていたが、そのしくみは不明だった。
・ 世界で初めてFliLの立体構造を解明し、FliLは哺乳類の神経細胞にも存在するストマチン様蛋白質^※2という蛋白質グループと共通の構造を持つことが分かり、全ての生物において同じような機構で多様な膜蛋白質が制御される可能性を発見。
・ べん毛モーターの作動原理の解明により、これまでにない超高効率微小モーターや、一般的に検出が難しいとされる機械刺激に対するナノセンサーの開発への応用に期待。

研究の背景
　多くの細菌は、べん毛とよばれるらせん状の線維を細胞の表面から生やし、それをスクリューのように回転させることで動きます（図3）。べん毛の根元には、直径約45ナノメートルの蛋白質でできた極小のモーターが存在します。このモーターは毎秒約300～1,000回転という高速で回転します。べん毛モーターのエネルギー源は細胞の外から中に流れるイオン（H⁺、Na⁺など）の流れで、極めて高いエネルギー効率で作動します。べん毛モーターは回転子と固定子で構成され、固定子内をイオンが流れると、固定子と回転子との間の相互作用が変化し、回転力が生じます。
　細菌は、感染するときに粘液中や宿主の細胞表面など粘性が高い場所を移動します。このとき、べん毛モーターは水中を移動するときよりも高い出力を出す必要がありますが、出力を上げるために必要な因子がFliL蛋白質です。FliLが欠損すると、多くの細菌は高粘性下での運動能を失い、感染できなくなります。また、FliLは周囲の粘性を感知する機能も持ちます。しかし、FliLがこのような機能を発揮するメカニズムはほとんど分かっていませんでした。

研究の内容
　共同研究グループは、海洋性細菌Vibrio alginolyticusのFliL蛋白質が機能する分子機構を解明しました。
　FliLの機能に必須の細胞壁側部分（FliL_C）に着目し、大型放射光施設SPring-8のBL41XUを用いたX線結晶構造解析により、FliL_Cの立体構造を明らかにしました。その結果、10個のFliL分子が集まって一つのリング状の複合体を形成することが分かりました（図4）。そしてFliLリングが膜蛋白質である固定子と複合体を形成して一緒にべん毛モーターに組み込まれること、またFliLリングの内壁が固定子と相互作用して固定子の活性を制御することを明らかにしました。さらに興味深いことに、FliLは哺乳類の神経細胞や赤血球の中などにも存在するストマチン様蛋白質と共通の構造を持つことがわかりました（図2）。ストマチン様蛋白質は細胞膜上で機械刺激や酸刺激などのさまざまな情報を受け取り、多様な膜蛋白質の働きを制御することが知られています。今回、FliLが新しいストマチン様蛋白質であることを発見し、ストマチン様蛋白質が膜蛋白質を制御する具体的な分子機構を世界で初めて提唱しました。

本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）
　べん毛モーターは、エネルギー変換効率がほぼ100％の高性能な回転ナノマシンであると同時に、周囲の粘性や物理抵抗を感知するナノセンサーでもあります。その作動原理の解明は、これまでにない超高効率微小モーターや、一般的に検出が難しいとされる機械刺激に対するナノセンサーの開発に繋がります。
　また今回、細菌のべん毛の中の現象が、動物の神経などと共通の機構を使っていることを示す結果が世界で初めて得られました。本研究から得られた知見は、べん毛モーターの作動原理の解明のみならず、全ての生物に共通した、ストマチン様蛋白質による膜蛋白質の活性制御の機構の解明に繋がります。

用語説明

特記事項
　本研究は、科学研究費補助金基盤研究（A）、特別研究員奨励費、挑戦的研究（萌芽）および新学術領域研究（研究領域提案型）による支援のもとに行われました。また、本研究は大阪大学、名古屋大学が共同で行ったものです。