酢酸菌によるセルロース繊維の結晶系制御システムの解明

• Project/Area Number: 24K08621
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 37020:Chemistry and chemical methodology of biomolecules-related
• Research Institution: Japan Women's University
• Principal Investigator: 吉田 徹 日本女子大学, 理学部, 助教 (30724546)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菅野 靖史 日本女子大学, 理学部, 教授 (90282855)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2026: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: セルロース / クライオ電子顕微鏡 / トモグラフィー

Outline of Research at the Start

セルロース繊維は、グルコースが重合した1本の高分子鎖であるセルロース鎖が、結晶性を持つように束になったものである。セルロース繊維は植物細胞壁の主成分であるが、一部のバクテリアもまた生産することが知られている。しかも、酢酸菌が合成するセルロース繊維は最も強度の高い結晶系であり、最安定な結晶系ではない。これは酢酸菌が、合成するセルロース繊維の結晶系をI型に制御する特別な仕組みを持つことを示している。本研究では、酢酸菌によるセルロース繊維の結晶系制御機構の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

セルロース繊維は、グルコースが重合した1本の高分子鎖であるセルロース鎖が、結晶性を持つように束になったものである。セルロース繊維は植物細胞壁の主成分であるが、一部のバクテリアもまた生産することが知られている。しかも、酢酸菌が合成するセルロース繊維は最も強度の高い結晶系（I型）であり、最安定な結晶）ではない。これは酢酸菌が、合成するセルロース繊維の結晶系をI型に制御する特別な仕組みを持つことを示している。本研究では、酢酸菌によるセルロース繊維の結晶系制御機構の解明を目的とする。

酢酸菌はセルロースを合成することがよく知られており、内膜および外膜上にセルロース合成酵素および分泌酵素の複合体（ターミナルコンプレックス：TC）を持つ。そのため、膜上のTCの並び方および配向がセルロース繊維の結晶性に影響を及ぼす可能性が高いと考えられる。そこで本研究では、酢酸菌の膜上に並んだ複数のTCをクライオ電子線トモグラフィーで観察することで、その並び方や配向を解明することを目指す。トモグラフィー法は発展途上の分野であり、細胞のタンパク質の状態を直接観察可能という点で、従来のタンパク質構造解析とは大きく異なっている。

観察には、電子線が透過できるように、酢酸菌のミニセルを用いる。本年度はまず、酢酸菌のミニセルを大量調製する方法を確立した。従来、ミニセルの作製には成功していたが、安定して高濃度のミニセルを調製することができなかった。そこで、形質転換法、培養方法、ミニセル精製方法を見直すことで、ODが4以上の高濃度のミニセルを安定して調製することができるようになった。さらに、調製したミニセルがセルロースを分泌していることを、共焦点顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

目標であったミニセルの安定調製、また、ミニセルによるセルロース生産の各種顕微鏡による確認まで終えることができたため。

Strategy for Future Research Activity

セルロースを生産・分泌するミニセルの調製に成功したので、クライオ電子顕微鏡を用いた撮影に進む。良い画像が撮影できた場合、酢酸菌に存在するTCの構造解析に進む。併せて、TCを単離・精製した上でクライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析も目指す。まずは、TCの構成要素である合成酵素複合体を精製し、クライオ電子顕微鏡により撮影する。