１個の接着蛋白質の特性から生み出される巨大スケールのバクテリア渦状運動

• Project Area: Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems
• Project/Area Number: 26103527
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Gakushuin University
• Principal Investigator: 西坂 崇之 学習院大学, 理学部, 教授 (40359112)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2015: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2014: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 滑走運動 / 集団運動 / フラボバクテリウム・ジョンソニエ

Outline of Annual Research Achievements

ほぼすべての微生物は運動する機能を持ち、生存のため適した環境に移動する手段として、その機能を巧みに用いている。バクテリアは、真核生物で知られている従来の分子モーターとは異なった多様な運動装置を有しており、生物学のみならず、それらの未知の動作原理は物理の視点からも注目すべき研究対象となっている。本課題では、分子レベルから集団レベルまでのマルチスケールにおいて多面的な研究を展開し、微生物の様々な新しい運動様式を発見し、詳細に解析した。
① 基板表面に可視光の波長より小さい金属のパターンを蒸着し、そこに全反射照明を行うことで、表面近傍に「異常光学透過（EOT）」という特徴的な電磁波の分布を作ることができる。EOTの分布は、AFMや電子顕微鏡で決定したパターンの構造と、詳細なシミュレーションを組み合わせることにより推定できる。この分布を参照パターン（kernel）とし、一定速度で運動する蛍光バクテリアからのシグナルをkernelで再構成することによって、滑走中のバクテリア Mycoplasma mobile（M. mobile）の位置を３次元的に高精度で決定する新しい実験方法を提案した。
② 桿菌である Flavobacterium johnsoniae（以下 F. johnsoniae）も M. mobile 同様、基板の上で滑走運動を行うが、その運動機構はまったく異なる仮説が提唱されている。細胞表面から突き出た接着タンパク質がらせん状に配置したレールの上を動き、この流れが細胞全体の一方向の運動を生み出すと考えている。本課題では F. johnsoniae が飢餓状態において、特徴的な渦運動を生み出すことを見出し、基本的なデータの収集を終えた。さらにこの機構を解明するため、渦の形成過程を長時間にわたり安定して記録するシステムの構築に成功した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Directed binding of gliding bacterium, Mycoplasma mobile, shown by detachment force and bond lifetime (2016)
  • Author(s): Tanaka, A. Nakane, D. Mizutani, M. Nishizaka, T. Miyata, M.
  • Journal Title: mBio Volume: 0 Pages: 0-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] F1-ATPase conformational cycle from simultaneous single-molecule FRET and rotation measurements (2016)
  • Author(s): Sugawa, M. Okazaki, K. I. Kobayashi, M. Matsui, T. Hummer, G. Masaike, T. Nishizaka, T.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci USA Volume: 0 Issue: 21 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1073/pnas.1524720113
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-Dimensional Superlocalization Imaging of Gliding Mycoplasma mobile by Extraordinary Light Transmission through Arrayed Nanoholes (2015)
  • Author(s): Lee, W. Kinosita, Y. Oh, Y. Mikami, N. Yang, H. Miyata, M. Nishizaka, T. Kim, D.
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 9 Issue: 11 Pages: 10896-908
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b03934
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bacteriocin Protein BacL1 of Enterococcus faecalis Targets CelDivision Loci and Specifically Recognizes L-Ala2-Cross-Bridged Peptidoglycan (2015)
  • Author(s): Jun Kurushima, Daisuke Nakane, Takayuki Nishizaka, Haruyoshi Tomitaa
  • Journal Title: Juornal of Bacteriology Volume: 197 Issue: 2 Pages: 286-295
  • DOI: 10.1128/jb.02203-14
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Torque Generation by Axonemal Outer-Arm Dynein (2014)
  • Author(s): Shin Yamaguchi, Kei Saito, Miki Sutoh, Takayuki Nishizaka, Yoko Y Toyoshima, Junichiro Yajima
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 108 Issue: 4 Pages: 872-879
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2014.12.038
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Unitary step of gliding machinery in Mycoplasma mobile. (2014)
  • Author(s): Kinosita Y, Nakane D, Sugawa M, Masaike T, Mizutani K, Miyata M, Nishizaka T.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 111 Issue: 23 Pages: 8601-6
  • DOI: 10.1073/pnas.1310355111
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Unitary Steps of Supermolecular Motility Machineries in Gliding Bacteria and Swimming Arcaea (2016)
  • Author(s): Kinosita, Yoshiaki Nakane, Daisuke Uchida, Nariya Miyata, Makoto Nishizaka, Takayuki
  • Organizer: Biophyscial Society 60th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Los Angeles Convention Center, Los Angeles, California
  • Year and Date: 2016-02-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Real-time imaging of a polymorphism, rotation rate and stepwise rotation of archaeal flagella (archaella) (2016)
  • Author(s): Kinosita, Y Uchida, N Nakane, D Nishizaka, T
  • Organizer: Sensory transduction in Microorganism (Gordon conference)
  • Place of Presentation: Ventura Beach Marriott, Ventura, CA
  • Year and Date: 2016-01-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Detection of rotation of archaeal flagella under advanced optical microscopes (2015)
  • Author(s): Kinosita, Yoshiaki Nakane, Daisuke Nishizaka, Takayuki
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanics of Motor Proteins and Supermolecular Motility Machinery Revealed under Advanced Optical Microscopes (2015)
  • Author(s): 西坂崇之
  • Organizer: WPI-next international workshop ~~High resolution cell biology~~
  • Place of Presentation: E & S building, Nagoya Univ.
  • Year and Date: 2015-10-01
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シンポジウム「べん毛・繊毛が織りなす多様な生命現象に挑む ～分子から個体まで～ Diverse functions of flagella and cilia; -From molecules to mammalian development-」 先進光学顕微鏡により明らかになる繊毛とアーキアべん毛の力学機能 Mechanical function of cilia and archaeal flagella resolved by advanced optical microscopes (2015)
  • Author(s): 西坂崇之
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス 自然科学本館
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] マウス気管繊毛の非対称運動メカニズム -軸糸の変形の視点から- (2015)
  • Author(s): 加藤孝信, 池上浩司, 岩瀬寿仁, 政池知子, 瀬藤光利, 西坂崇之
  • Organizer: 第67回日本細胞生物学会大会
  • Place of Presentation: 東京都 タワーホール船堀
  • Year and Date: 2015-06-30 – 2015-07-02
• [Presentation] アーキアべん毛の回転計測 (2015)
  • Author(s): 木下佳昭, 中根大介, 西坂崇之
  • Organizer: 第20回べん毛研究交流会
  • Place of Presentation: 三重県 合歓の郷ホテル&リゾート
  • Year and Date: 2015-03-01 – 2015-03-03
• [Presentation] マウス気管繊毛の非対称運動メカニズム -軸糸の変形の視点から- (2015)
  • Author(s): 加藤孝信, 池上浩司, 岩瀬寿仁, 政池知子, 瀬藤光利, 西坂崇之
  • Organizer: 生体運動研究合同班・2015年班会議
  • Place of Presentation: 学習院大学
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] 微小管コークスクリュー運動の三次元計測による軸糸外腕ダイニン及びそのサブユニットの運動特性の定量 (2015)
  • Author(s): 山口真, 西坂崇之, 豊島陽子, 矢島潤一郎
  • Organizer: 生体運動研究合同班・2015年班会議
  • Place of Presentation: 学習院大学
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] 軸糸チューブリンポリグリシン化消失による鞭毛繊毛運動の亢進 (2015)
  • Author(s): 池上浩司, 政池知子, 西坂崇之, 瀬藤光利
  • Organizer: 生体運動研究合同班・2015年班会議
  • Place of Presentation: 学習院大学
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] 微小管のコークスクリュー運動を利用した三次元角度検出技術の確立 (2015)
  • Author(s): 藤村章子, 足立健吾, 西坂崇之
  • Organizer: 生体運動研究合同班・2015年班会議
  • Place of Presentation: 学習院大学
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] アーキアのべん毛は回転する (2015)
  • Author(s): 木下佳昭, 中根大介, 西坂崇之
  • Organizer: 生体運動研究合同班・2015年班会議
  • Place of Presentation: 学習院大学
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] Mechanics of novel motors revealed under advanced optical microscopes. (2014)
  • Author(s): 西坂崇之, 中根大介
  • Organizer: The 45th NIPS International symposium “Cutting-edge approaches towards the functioning mechanisms of membrane proteins”
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-28
  • Invited
• [Presentation] Analysis of three-dimensional motion of motor proteins and supermolecular motility machinery (2014)
  • Author(s): 西坂崇之, 加藤孝信, 木下佳昭
  • Organizer: The 6th International Symposium on Aero Aqua Bio-Mechanics
  • Place of Presentation: Hawaii Tokai International College, Honolulu, Hawawii, USA
  • Year and Date: 2014-11-13 – 2014-11-16
• [Presentation] 単離マウス気管上皮繊毛が生み出す力の三次元顕微計測 Force measurement of individual isolated mouse tracheal cilia using three-dimensional optical trapping. (2014)
  • Author(s): 加藤孝信, 池上浩司, 岩瀬寿仁, 政池知子, 瀬藤光利, 西坂崇之
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] 全反射型蛍光顕微鏡における受像偏向と偏光変調 －F1-ATPase の構造変化検出への応用－ Emitter modulation and polarization switching under TIRF illumination: Application for detection of conformational change in F1-ATPase. (2014)
  • Author(s): 三上渚, 政池知子, 西坂崇之
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] 軸糸外腕ダイニンによるトルク発生 Torque generation by axonemal outer-arm dynein. (2014)
  • Author(s): 山口真, K. Saito, M. Sutoh, 西坂崇之, 豊島陽子, 矢島潤一郎
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] バクテリアの集団運動による巨大渦パターン形成 Large-scale vortex pattern emerging from bacteria collective motion. (2014)
  • Author(s): 小高祥子, 中根大介, 西坂崇之
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] １細胞レベルにおけるバクテリア走化性のメカニズム Mechanism of phototaxis of bacteria at single cell level. (2014)
  • Author(s): 中根大介, 西坂崇之
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] 偏光変調 TRIFM とデフォーカスイメージングによる単一蛍光色素の角度と回転方向の検出 Detection of 3-D orientation and rotation of single fluorophores by combination of polarization-modulation TIRFM and defocused imaging. (2014)
  • Author(s): 藤村章子, 三上渚, 伊藤竜朗, 西坂崇之
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] 微生物の運動超分子マシナリーの単位ステップの直接観察：滑走バクテリアと遊泳古細菌について Direct observation of unitary steps of supermolecular motility machineries of microorganisms: gliding bacterium and swimming archaeon. (2014)
  • Author(s): 木下佳昭, 中根大介, 宮田真人, 西坂崇之
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] Detection of Conformational Change of the Cylinder in Single F1-ATPase and its Interaction with the Shaft under Advanced Optical Microscopes. (2014)
  • Author(s): 三上渚, 内藤達也, 下澤東吾, 政池知子, 宗行英朗, 西坂崇之
  • Organizer: Tokyo ATPase Workshop
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス
  • Year and Date: 2014-07-02 – 2014-07-03
• [Presentation] Unitary step and nucleotide-dependent binding change of gliding machinery in Mycoplasma mobile. (2014)
  • Author(s): 木下佳昭, 中根大介, 宮田真人, 西坂崇之
  • Organizer: Tokyo ATPase Workshop
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス
  • Year and Date: 2014-07-02 – 2014-07-03
• [Presentation] 単離繊毛非 対称運動における発生張力の三次元顕微計測 (2014)
  • Author(s): 加藤孝信, 池上浩司, 岩瀬寿仁, 政池知子, 瀬藤光利, 西坂崇之
  • Organizer: 第5回繊毛研究会
  • Place of Presentation: 浜松市研修交流センター
  • Year and Date: 2014-05-24 – 2014-05-25
• [Presentation] Ca2+依存的 な運動性を持つ気管繊毛の三次元解析 (2014)
  • Author(s): 岩瀬寿仁, 加藤孝信, 瀬藤光利, 西坂崇之, 池上浩司, 政池知子
  • Organizer: 第5回繊毛研究会
  • Place of Presentation: 浜松市研修交流センター
  • Year and Date: 2014-05-24 – 2014-05-25
• [Presentation] 繊毛と鞭毛におけるチューブリン ポリグリシン化の異なる寄与度 (2014)
  • Author(s): 池上浩司, 政池知子, 西坂崇之, 瀬藤光利
  • Organizer: 第5回繊毛研究会
  • Place of Presentation: 浜松市研修交流センター
  • Year and Date: 2014-05-24 – 2014-05-25
• [Presentation] Polarization- and emitter- Modulation TIRF Microscopy to Detect 3-D Oriental of Single Protein. (2014)
  • Author(s): 三上渚, 中根大介, 西坂崇之
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology 2014
  • Place of Presentation: 岡山大学鹿田キャンパス
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [Book] Handbook of Photonics for Biomedical Engineering (2015)
  • Author(s): Katoh, T. A. Fujimura, S. Nishizaka, T.
  • Total Pages: 15
  • Publisher: Springer