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高エネルギー変換効率を可能とするべん毛モーター回転軸と軸受の構造と機能の解明

Research Project

Project/Area Number 21J12128
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 43040:Biophysics-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology (2022)
Osaka University (2021)

Principal Investigator

山口 智子  東京工業大学, 地球生命研究所, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywordsべん毛モーター / クライオ電子顕微鏡 / 軸受け / 軸 / 自己集合 / 立体構造解析 / タンパク質 / LPリング / 構造解析 / サルモネラ / ロッド
Outline of Research at the Start

多くのバクテリアはべん毛を用いて遊泳する。べん毛は、基部体(モーター)、フック(ユニバーサルジョイント)、繊維(スクリュー)の3つの部分から構成され、よく制御された自己構築機構を持ち、細胞内外の電気化学ポンテンシャル差による陽イオンの流れをほぼ100%の効率で回転エネルギーに変換できる。べん毛モーターの自律的構築機構と高いエネルギー伝達効率を可能にする回転メカニズムを解明するため、回転時のエネルギー散逸の最小化に大きく寄与していると推測されるモーター軸受部位に着目し、軸と軸受の相互作用を原子レベルで解明する。

Outline of Annual Research Achievements

回転型モーターには、回転子や固定子の他に、トルクを外部に出力するための回転軸と、軸を支える軸受けが存在します。細菌の運動を駆動するべん毛モーターも上記と同様の構造を持ち、細胞内外のプロトン勾配による電気化学ポテンシャルエネルギーをほぼ100%の効率でトルクに変換し、F1レーシングカーのエンジンに匹敵するほどの高速で回転する非常に効率の良いモーターとして知られています。べん毛モーターにおいて軸受け構造であるLPリングは、軸であるロッドを取り囲むようにリング状に存在しています。これら二つはべん毛モーターが機能する際には独立して存在しており、LPリングがどのようにロッドの周りに適切に配置・形成されるのかはわかっていませんでした。本研究では、べん毛モータ形成の中間状態を模擬したポリロッド-Pリング(通常より長く重合したロッドの周りにPリングのみが直接結合した)複合体の立体構造をクライオ電子顕微鏡による単粒子像解析を用いて解析することで、LPリングがロッド周りに自己形成される過程を詳細に調べました。Pリングのロッドに対する傾きを確認した結果、ポリロッド- Pリング状態におけるPリングはロッド-LPリングにおけるPリングより約3°傾いてロッドに結合しており、Pリングがロッドに結合する際はPリングを構成するタンパク質であるFlgIとロッドの一部を構成するFlgGのフレキシブルな領域が足場となることでロッド周りのPリング形成を支えていることが示唆される結果となりました。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (3 results)

  • [Int'l Joint Research] Charles University/BIOCEV(チェコ)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Purification and CryoEM Image Analysis of the Bacterial Flagellar Filament2023

    • Author(s)
      Yamaguchi T, Miyata T, Makino F, Namba K.
    • Journal Title

      Methods in molecular biology

      Volume: 2646 Pages: 43-53

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-3060-0_5

    • ISBN
      9781071630594, 9781071630600
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structures of multisubunit membrane complexes with the CRYO ARM 2002022

    • Author(s)
      Gerle Christoph、Kishikawa Jun-ichi、Yamaguchi Tomoko、Nakanishi Atsuko、?oruh Orkun、Makino Fumiaki、Miyata Tomoko、Kawamoto Akihiro、Yokoyama Ken、Namba Keiichi、Kurisu Genji、Kato Takayuki
    • Journal Title

      Microscopy

      Volume: 71 Issue: 5 Pages: 249-261

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfac037

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structure of the molecular bushing of the bacterial flagellar motor2021

    • Author(s)
      Yamaguchi Tomoko、Makino Fumiaki、Miyata Tomoko、Minamino Tohru、Kato Takayuki、Namba Keiichi
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4469-4469

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24715-3

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] LPリング中のロッドの回転シミュレーション2023

    • Author(s)
      北尾彰朗
    • Organizer
      べん毛研究交流会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 構造から紐解くバクテリアべん毛モーターの軸-軸受相互作用2021

    • Author(s)
      山口智子, 牧野文信, 宮田知子, 南野徹, 加藤貴之, 難波啓一
    • Organizer
      第67回日本生化学会近畿支部例会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 滑らかに回転するバクテリアべん毛モーターの軸-軸受け相互作用を立体構造から紐解く2021

    • Author(s)
      山口智子, 牧野文信, 宮田知子, 南野徹, 加藤貴之, 難波啓一
    • Organizer
      第59回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] べん毛モーターの軸受けはどのようにして軸周りに構築されるのか?2021

    • Author(s)
      山口智子, 牧野文信, 宮田知子, 南野徹, 加藤貴之, 難波啓一
    • Organizer
      2021年度べん毛研究交流会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 細菌の生体分子モーターは静電相互作用で滑らかに回る2021

    • Author(s)
      山口智子, 牧野文信, 宮田知子, 南野徹, 加藤貴之, 難波啓一
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会若手の会夏の学校
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] Charles University faculty of science

    • URL

      https://www.natur.cuni.cz/eng

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] BIOCEV

    • URL

      https://www.biocev.eu/en

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 細菌の回転モーターは静電相互作用で滑らかに回る

    • URL

      https://www.fbs.osaka-u.ac.jp/ja/research_results/papers/detail/1028

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      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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