Microscopic analysis of molecular engine switch

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 21H00410
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Hosei University
• Principal Investigator: 曽和 義幸 法政大学, 生命科学部, 教授 (10519440)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: べん毛モーター / 回転子 / 固定子 / 発動分子 / べん毛 / 光架橋 / 回転方向転換 / 分子モーター

Outline of Research at the Start

発動分子が発生する出力の方向性を自在に制御できれば，様々な応用や実装に近づくと期待できる．細菌遊泳の原動力を生み出す回転型の発動分子・細菌べん毛モーターは，入力エネルギーの向きを変えることなく，回転方向を一瞬で逆転させるユニークな特徴をもつ．本研究では，光架橋と顕微解析を組み合わせて分子間相互作用をアミノ酸残基レベルで探索する系を用いて回転スイッチ機構の解明を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

本研究の対象である細菌べん毛モーターは，細胞外から細胞内に流入するイオンをエネルギー源とする発動分子である．このモーターはエネルギー流入の方向を変化させることなく，回転方向を逆転できるユニークな特徴を持つ．モーター回転は，固定子MotA/B複合体のMotAの細胞質ドメインと回転子リングを構成するFliGタンパク質の間の相互作用によって生まれる．近年の構造解析の結果から，MotBを中心にMotA5量体がイオン透過に伴って回転する固定子回転モデルが提唱された．このモデルでは，FliGの構造変化により回転子リングの径を変え，モーター回転力の発生・回転方向転換を説明することができる．このような構造変化が起こるならば，回転方向に依存して相互作用界面が異なるのではないかと予想し，光架橋法と回転計測を組み合わせた系で，FliG側，MotA側から分子間相互作用の検出をおこなった．
本年度は，昨年までよりも探索範囲を広げ，FliGのC末端側のドメインおよびMotAの細胞質側に面した位置にあるすべての残基について１アミノ酸ずつ非天然型アミノ酸pBPAに置換したモーターを作製した．これらの変異体について，モーター回転を記録しながら紫外光照射した結果，分子間架橋が生じるかどうかを検出することで，モーター回転を生み出す部位を探索した．CWおよびCCWに回転を固定したモーターについて実験をおこなって架橋効率をマッピングし，相互作用界面の検出をおこなったところ，期待したような大きな界面変化は見られなかった．今後，生化学的解析も組み合わせ，相互作用の残基レベルでの理解を目指す必要がある．

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UNSW(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] UNSW(オーストラリア)
• [Journal Article] The rapid evolution of flagellar ion selectivity in experimental populations of E. coli (2022)
  • Author(s): Ridone Pietro、Ishida Tsubasa、Lin Angela、Humphreys David T.、Giannoulatou Eleni、Sowa Yoshiyuki、Baker Matthew A. B.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 47
  • DOI: 10.1126/sciadv.abq2492
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel Amiloride Derivatives That Inhibit Bacterial Motility across Multiple Strains and Stator Types (2021)
  • Author(s): Islam M. I.、Bae J. H.、Ishida T.、Ridone P.、Lin J.、Kelso M. J.、Sowa Y.、Buckley B. J.、Baker M. A. B.
  • Journal Title: Journal of Bacteriology Volume: 203 Issue: 22
  • DOI: 10.1128/jb.00367-21
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] べん毛モーター回転子-固定子間接触面の解析 (2023)
  • Author(s): 日髙直樹，中谷仁，熊崎優美，石田翼，吉多美祐，井藤理恵，曽和義幸
  • Organizer: 2022年度べん毛研究交流会
• [Presentation] 光架橋法を利用した大腸菌べん毛の動的な固定子ユニットの解析 (2022)
  • Author(s): 竜野真理衣，石田翼，熊崎優美，吉多美祐，井藤理恵，曽和義幸
  • Organizer: 第18回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] Analysis of the interaction interface between the rotor and stator of the bacterial flagellar motor at the amino acid residue level (2022)
  • Author(s): Nakaya J, Kumazaki Y, Ishida T, Yoshida M, Ito R, Sowa Y
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会
• [Presentation] Identification of the indole-sensing region of the sensor kinase BaeS (2022)
  • Author(s): Tajima H, Kashihara K, Yamamoto K, Sowa Y, Kawagishi I
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会
• [Presentation] Role of divalent metal cations in ligand recognition by the Salmonella citrate chemoreceptor Tcp (2022)
  • Author(s): Omori F, Matsuda M, Imada K, Tajima H, Sowa Y, Kawagishi I
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会
• [Presentation] FliLが制御するべん毛モーターの負荷感受性 (2022)
  • Author(s): 石田翼，吉多美祐，南野徹，曽和義幸
  • Organizer: 2021年度べん毛研究交流会
• [Presentation] 放線菌Actinoplanes missouriensisの極べん毛モーター回転計測 (2022)
  • Author(s): 高井亮太郎，手塚武揚，石田翼，大西康夫，曽和義幸
  • Organizer: 2021年度べん毛研究交流会
• [Presentation] 光架橋法と蛍光観察によるべん毛モーターの固定子ダイナミクスの解析 (2022)
  • Author(s): 竜野真理衣，熊崎優美，石田翼，曽和義幸
  • Organizer: 2021年度べん毛研究交流会
• [Presentation] 大腸菌FliLは低負荷領域でべん毛モーターの回転を支援する (2021)
  • Author(s): 石田翼，吉多美祐，南野徹，曽和義幸
  • Organizer: 第１回 発動分子科学研究会
• [Presentation] 大腸菌FliLは低負荷条件下でべん毛モーターの回転速度を調節する (2021)
  • Author(s): 石田翼，吉多美祐，南野徹，曽和義幸
  • Organizer: 第17回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] 周べん毛モーターと極べん毛モーターの回転方向制御の違い (2021)
  • Author(s): 田島寛隆，三浦勇輝，西川正俊，曽和義幸，川岸郁朗
  • Organizer: 第17回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] センサーキナーゼ蛋白質 BaeS は細胞内インドールを感知するのか？ (2021)
  • Author(s): 樫原賢一朗，山﨑萌，山本健太郎，田島寛隆，西川正俊，曽和義幸，川岸郁朗
  • Organizer: 第17回21世紀大腸菌研究会
• [Presentation] Difference in cooperativity of the rotational control between the motors of polar and peritrichous flagella (2021)
  • Author(s): Tajima T, Nishikawa M, Miura Y, Sowa Y, Kawagishi I
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会
• [Presentation] Heterotrimer formation of MdtB and MdtC, transporter components of the bacterial xenobiotic efflux complex (2021)
  • Author(s): Kashihara K, Tajima H, Nishikawa M, Sowa Y, Kawagishi I
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会
• [Presentation] Chemotaxis receptor clusters in the lateral membrane region of Escherichia coli cells (2021)
  • Author(s): Inoue A, Ito N, Tajijma H, Nishikawa M, Sowa Y, Kawagishi I
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会