2016 Fiscal Year Annual Research Report
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15H04364
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| Research Institution | Gakushuin University |
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Principal Investigator |
西坂 崇之 学習院大学, 理学部, 教授 (40359112)
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2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | アーキアラ / ハロアーキア / クロス・カイモグラフィー / IV型分泌装置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生命科学の未踏の領域である「古細菌（Archaea、アーキア）遊泳の分子メカニズム」を解明する。運動装置の構造、それが生み出す流体への推進力の定量化、さらには、装置の単位素子が生み出すステップを検出し、新規の分子モーターにおける化学―力学共役の詳細を明らかにする。
極限環境で生息するアーキアべん毛は、理解が進んでいる真核生物の分子モーターや大腸菌の回転モーターと異なり、分泌装置がベースとなったATP駆動による独自の運動機構を備えていると考えられている。細菌学のみならず、生物物理・進化・タンパク質科学・ナノマシンデザインからも注目すべき課題であるはずだが、培養条件や実験の再現性の難しさから、未だ大きな進展は見られていない。本課題により、アーキアモーターという新しい研究分野を開拓する。
平成28年度においては、以下の２つの課題を推し進めた。① 細胞本体の回転の３次元定量化。単一微小プローブの３次元トラッキングを行うことにより、細胞本体の回転を精密に再構成する。これはべん毛全体を可視化するという、27年度に開発した方法論と対をなすアプローチである。進行方向に対する回転の向きについて、仮定なく一意的に決定することができた。② SBT theory による遊泳運動の in silico 再構成。屈曲した細長い物体に対し、セグメント化した領域での流体力学抵抗を計算する近似解析の方法としてslender body theory (SBT) が確立している。この方法論をアーキアの遊泳に応用した。光学顕微鏡で正確に決定できたパラメータに、電子顕微鏡で得られた構造パラメータを組み合わせ、SBTで数値計算を行った。再構成された運動は、観察結果と良い一致を示し、アーキアの運動は極べん毛による寄与だけで十分に説明できることが分かった。特徴的なすりこぎ運動も再現された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題は申請段階では、ハロバクテリア・サリナラムもしくはハロバクテリア・ボルカニというアーキアを研究対象にしてスタートしたが、そこで開発されている観察方法や解析手法は、他のバクテリアの微生物であるスピロプラズマ、シネコシスティス、サーマス・サーモフィラスといったさまざまな研究対象に派生している。その研究の一部は米アカデミー紀要といった一流科学誌に原著論文として受理され発表されることが決定している。本課題で産み落とされた独自の顕微鏡技術が、細菌学にあますところなく応用され、生物物理学として結実する新しい研究の方向性が示されつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は予想を超えて順調に進み、アーキアであるハロバクテリウム・サリナラムの遊泳運動について、細胞本体から単一モーターに至るまでほぼすべての階層においてその性質を定量的に記述することに成功した。本年度は、高精度計測技術によって生まれたこの流れを継続すべく、これまでに開発された可視化技術を他の種に応用する。これによって新しい技術の有用性の評価を進め、さらには、未知の運動機構を持つ様々な生物試料の特徴を明らかにしていく。
計測対象として用いるのはシアノバクテリアのIV型線毛、および昆虫への共生バクテリアとして知られるバークホルデリアである。前者はアーキアべん毛と類似した構造を持つと考えられているため、対象がバクテリアではあるものの、新しく開発した大方の技術においてそのままの応用が可能だと考えている。後者については、繊維状構造について、らせんと回転の向きを同時かつ定量的に判断できるクロス・カイモグラフィーがその威力をいかんなく発揮する。これまでにない新しい運動パターンが画像化できると期待される。
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