バクテリアべん毛モーターの自律的なフィードバック制御機構の解明

• Project Area: Information physics of living matters
• Project/Area Number: 22H04844
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 南野 徹 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 准教授 (20402993)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 細菌 / 1分子計測（SMD） / 蛋白質 / 遺伝学 / 電子顕微鏡 / 1分子計測

Outline of Research at the Start

細菌べん毛モーターは環境中の粘度変化を感知し自律的に回転子リング複合体の周りに配置するMotAB複合体の数を制御する。MotAB固定子複合体は回転子リング構成蛋白質FliGとの相互作用を介して自身のプロトンチャネル活性をフィードバック制御する。本研究では、負荷依存的にべん毛運動機能が変化した変異体のべん毛モーターの出力特性を定量的に解析するとともに、固定子複合体の負荷依存的なプロトンチャネル活性に影響を及ぼすシフトレバー変異体の探索を行うことにより、べん毛モーターの自律的なフィードバック制御回路の設計原理を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

サルモネラの運動器官であるべん毛はプロトンの流れを回転力に変換する回転分子モーターである。べん毛モーターはFliF, FliG, FliM, FliNからなる回転子リング複合体とその周りに配置される約10個のMotAB固定子複合体から構成される。べん毛モーターは外環境の粘度変化に応じて回転子の周りに配置するMotAB固定子の数や固定子のイオンチャネル活性を自律的に制御するが、その制御機構は未だ解明されていない. 本研究では、べん毛モーターの自律的なフィードバック制御機構を原子レベルで解明すること目的とする。本年度の主な成果は以下に示す。
MotBのN末近傍領域およびMotAと直接相互作用するFliGのC末ドメインが負荷依存的に構造変化することが示唆された。これらの構造変化に伴ってMotAB複合体のプロトンチャネル活性が自律的にフィードバック制御されることが示唆された。
回転スイッチ機能が異常になったCリング変異株から単離した機能復帰変異体の中に走化性シグナル伝達に関与するCheZ蛋白質に変異を持つものを見出した。これらのCheZ変異は走化性シグナル蛋白質であるCheY-Pの脱リン酸化反応を促進した。野生型CheZは溶液中で安定な二量体を形成し、さらにその二量体同士が会合して四量体を形成したが、脱リン酸化反応を促進する変異はCheZの会合状態に全く影響を与えなかった。
前年度に構築したMSリングの原子モデルに基づいて変異体解析を行なった結果、FliFのRBM2ドメインとRBM3ドメインを繋ぐフレキシブルなループ領域の構造変化により、RBM2はRBM3に対して内側と外側を向くようになり、その結果22回転対称性を持つ内側のコアリングのすぐ外側に11回転対称性を持つ歯車のような構造体が作り出されることが示唆された。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ユタ大学(米国)
• [Journal Article] Structure, Assembly, and Function of Flagella Responsible for Bacterial Locomotion (2023)
  • Author(s): Minamino Tohru、Kinoshita Miki
  • Journal Title: EcoSal Plus Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1128/ecosalplus.esp-0011-2023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Frontiers of microbial movement research (2023)
  • Author(s): Minamino Tohru、Nakane Daisuke、Nakamura Shuichi、Kiyama Hana、Morimoto Yusuke V.、Miyata Makoto
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 20 Issue: 3 Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.0033
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Purification of the Transmembrane Polypeptide Channel Complex of the Salmonella Flagellar Type III Secretion System (2023)
  • Author(s): Kinoshita Miki、Namba Keiichi、Minamino Tohru
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2646 Pages: 3-15
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-3060-0_1
  • ISBN: 9781071630594, 9781071630600
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Measurements of the Ion Channel Activity of the Transmembrane Stator Complex in the Bacterial Flagellar Motor (2023)
  • Author(s): Morimoto Yusuke V.、Minamino Tohru
  • Journal Title: Methods in molecular biology Volume: 2646 Pages: 83-94
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-3060-0_8
  • ISBN: 9781071630594, 9781071630600
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Resolution Rotation Assay of the Bacterial Flagellar Motor Near Zero Loads Using a Mutant Having a Rod-Like Straight Hook (2023)
  • Author(s): Nakamura Shuichi、Minamino Tohru
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2646 Pages: 125-131
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-3060-0_11
  • ISBN: 9781071630594, 9781071630600
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Activation mechanism of the bacterial flagellar dual-fuel protein export engine (2022)
  • Author(s): Minamino Tohru、Kinoshita Miki、Morimoto Yusuke V.、Namba Keiichi
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 19 Issue: 0 Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v19.0046
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Insight Into Distinct Functional Roles of the Flagellar ATPase Complex for Flagellar Assembly in Salmonella (2022)
  • Author(s): Minamino Tohru、Kinoshita Miki、Namba Keiichi
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 13 Pages: 864178-864178
  • DOI: 10.3389/fmicb.2022.864178
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 細菌べん毛輸送装置の膜電位に依存した活性化機構 (2022)
  • Author(s): 南野徹, 木下実紀, 森本雄祐, 難波啓一
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 62 Pages: 165-169
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] バクテリアべん毛モーターの自律的なフィードバック制御機構 (2022)
  • Author(s): 南野徹
  • Journal Title: 生産と技術 Volume: 74 Pages: 81-84
• [Presentation] 海洋ビブリオ菌の極べん毛モーターFliFG融合タンパク質からなるMSリングの構造と性状 (2024)
  • Author(s): 竹川宜宏, 錦野達郎, 岸川淳一, 廣瀬未果, 木下実紀, 小嶋誠司, 南野徹, 内橋貴之, 今田勝巳, 本間道夫
  • Organizer: べん毛研究交流会
• [Presentation] バクテリアべん毛で働くプロトン駆動力の計測 (Measurement of proton motive force acting on bacterial flagella) (2023)
  • Author(s): 森本雄祐, 南野徹
  • Organizer: 日本バイオイメージング学会
  • Invited
• [Presentation] Development of a novel membrane voltage sensor based on the bacterial flagellar type III secretion system (バクテリアべん毛Ⅲ型輸送装置を利用した新規膜電位センサーの開発) (2023)
  • Author(s): Sakata K, Minamino T, Morimoto YV.
  • Organizer: 日本生物物理学会
• [Book] Bacterial and Archaeal Motility (2023)
  • Author(s): Tohru Minamino, Makoto Miyata, Keiichi Namba
  • Total Pages: 402
  • Publisher: Humana Press
  • ISBN: 9781071630594
• [Remarks]
  • URL: https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/2ce577c0931a0530.html