Novel and innovative mechanism of ATP biosynthesis based on the plasmolysis as a proton-driven force in alkalophilic bacteria

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K14893
• Research Institution: Setsunan University
• Principal Investigator: 村田 幸作 摂南大学, 理工学部, 教授 (90142299)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 橋本 渉 京都大学, 農学研究科, 教授 (30273519) ; 丸山 如江 摂南大学, 理工学部, 助教 (90397563)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 好アルカリ性細菌 / プロトン駆動力 / F0F1ATPase / 原形質分離 / pHジャンプ / Aeromonas属細菌 / 内膜皺構造

Outline of Annual Research Achievements

好アルカリ性細菌におけるエネルギー(ATP)獲得は、プロトン(H+)駆動力を利用したF0F1ATPaseによるATP生成であるとされるが、高アルカリ環境では細胞外に多量存在するOH-のためH+駆動力を生み出せない。この難点を回避するため、内膜の伸縮運動、つまり原形質分離の反復による内膜の皺形成過程がH+プールになるという仮説を提唱し、その検証を進めた。Aeromonas sp. L株は、培地のpHが低下すると増殖が低下し、培地のpHをアルカリにすると極端な原形質分離を伴って分裂を繰り返した。そこで、培地のpHを7から9と11にジャンプさせた所、pH7→pH9により、細胞は明瞭な原形質分離を起こし、増殖を再開した。pH7→pH11でも原形質分離が認められたが、予想外の現象（細胞形態の変化）も生起した。また、pH7→pH9では増殖できない変異株を分離し、その変異株が原形質分離を起こさなくなっている事も確認した。これらpHジャンプと変異株の結果ら、少なくとも、増殖が原形質分離に依存していること、つまり、グラム陰性・好アルカリ性細菌に於いては、増殖のエネルギーが原形質分離の反復運動で供給されていることを示すことができた。H+駆動力の形成が、従来の細胞骨格の変動を伴わない静的過程ではなく、内膜の伸縮(原形質分離の反復)を伴う動的なメカノケミカル過程によると云う新たな概念の確立に繋がった。上記、細胞形態の変化に関しては、培養後期に於いて本菌細胞はその生存のために近接した細胞を捕らえ、その細胞質を「吸い出し」て栄養源にして増殖する姿が見られた。これは、種の存続の一つの形として極めて重要な知見であり、今後、詳細に研究する必要がある。また、廃グリセロールの資源化に関しては、本菌が廃グリセロールから様々な有機酸を生産することを明らかにした。