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Structural basis of the flagellar axial structure and its construction

Research Project

Project/Area Number 21H02443
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 43040:Biophysics-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

Imada Katsumi  大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (40346143)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Keywords細菌べん毛 / クライオ電子顕微鏡 / X線結晶構造 / シンメトリーミスマッチ / 超分子複合体 / 分子進化
Outline of Research at the Start

細菌の多くは、べん毛と呼ばれる繊維状の運動器官を用いて移動する。べん毛は約30 種類の蛋白質が数万個集合した巨大な分子複合体である。べん毛基部のモータがロッド、フック、フィラメントで構成される繊維状の軸構造体を回転することで細菌は運動する。本研究では、短繊維べん毛の構造をクライオ電子顕微鏡法により解明し、物性・機能・構造・シンメトリーが異なるロッド・フック・フィラメントがどのように結合し、巨大な軸構造が一体で作動するしくみの理解を目指す。また、軸構造形成途中の様々なべん毛の構造を解析し、シンメトリーミスマッチを克服・利用して複雑な軸構造が形成されるしくみを解明する。

Outline of Final Research Achievements

The axial structure of the bacterial flagellum, an organelle responsible for bacterial motility, is a protein assembly composed of a rigid rod, a flexible hook, and a filament that is highly rigid yet capable of superhelical transition. The mechanisms behind the formation of such a complex structure and the integration of the parts, which vary in physical properties, functions, structures, and symmetries, remain unclear. In this study, we analyzed the structures of the intermediate states of flagellar formation and the structures of short filament mutants using cryo-electron microscopy. Through this analysis, we elucidated the mechanisms of hook and filament growth, as well as the molecular mechanism how the hook and filament are connected.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生命活動を担う複雑な生体分子超複合体の多くは、シンメトリーミスマッチを利用して作られ作動する。本研究で解明されたべん毛軸構造の構築のしくみは、他の生体超分子複合体の構築・作動原理を理解する上で重要な知見であり、さらには、ナノスケールでの力学研究やナノマシン設計に向けて重要な基盤となる。また、べん毛軸構造形成阻害をターゲットとして細菌運動性を奪うことで感染を阻止する新しいタイプの薬剤開発の構造基盤となる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (18 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Structure of MotA, a flagellar stator protein, from hyperthermophile2023

    • Author(s)
      Tatsuro Nishikino, Norihiro Takekawa, Duy Phuoc Tran, Jun-ichi Kishikawa, Mika Hirose, Sakura Onoe, Seiji Kojima, Michio Homma, Akio Kitao, Takayuki Kato and Katsumi Imada
    • Journal Title

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      Volume: 631 Pages: 78-85

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2022.09.072

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      武内春澄、橋本紗依、辻本拓海、宮田知子、牧野文信、難波啓一、竹川宜宏、今田勝巳.
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      橋本紗依、辻本拓海、宮田知子、牧野文信、難波啓一、竹川宜宏、今田勝巳
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      竹川宜宏、宮田知子、森来未、牧野文信、難波啓一、今田勝巳
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      Usui A, Kinoshita M, Tajimi Y, Uchihashi T, Minamino T, Takekawa N, Imada K.
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      Kinoshita M, Miyata T, Makino F, Kato T, Namba K, Imada K, Minamino T.
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      日本生物物理学会第61回年会
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      森来未、竹川宜宏、牧野文信、今田勝巳.
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      第26回べん毛研究交流会
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      橋本紗依、辻本拓海、宮田知子、牧野文信、難波啓一、竹川宜宏、今田勝巳.
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      第26回べん毛研究交流会
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      Imada K.
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      Nishikino T, Takekawa N, Kishikawa J, Hirose M, Kojima S, Homma M, Kato T, Imada K.
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      日本生物物理学会第60回年会
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      Nishikino T, Takekawa N, Kishikawa J, Hirose M, Kojima S, Homma M, Kato T, Imada K.
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      第95回日本生化学大会
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      橋本紗依、辻本拓海、宮田知子、牧野文信、難波啓一、竹川宜宏、今田勝巳.
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      第95回日本生化学大会
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      錦野達郎、竹川宜宏、岸川淳一、廣瀬未果、小嶋誠司、本間道夫、加藤貴之、今田勝巳.
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      錦野達郎、竹川宜宏、岸川淳一、廣瀬未果、小嶋誠司、加藤貴之、本間道夫、今田勝巳
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      第25回べん毛研究交流会
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  • [Presentation] Structure of the hook-filament junction with the filament cap in the bacterial flagellum.2021

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      Takekawa N, Ikeda A, Miyata T, Makino F, Namba K, Imada K.
    • Organizer
      日本生物物理学会第59回年会
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  • [Presentation] Structurer of a pentameric complex of MotA, a bacterial flagellar stator protein, from Aquifex aeolicus by single particle cryo-EM.2021

    • Author(s)
      1.Nishikino T, Takekawa N, Kishikawa J, Hirose M, Kojima S, Homma M, Kato T, Imada K.
    • Organizer
      日本生物物理学会第59回年会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 超好熱菌Aquifex aeolicusのべん毛固定子タンパク質MotAのCryo-EMによる単粒子解析.2021

    • Author(s)
      錦野達郎、竹川宜宏、岸川淳一、廣瀬未果、小嶋誠司、加藤貴之、本間道夫、今田勝巳
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会第47回討論会
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  • [Remarks]

    • URL

      http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/imada/index.html

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  • [Remarks]

    • URL

      http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/imada/index.html

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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