Elucidation of the chemo-mechanical coupling in the archaeal motor using ghosts

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K22640
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0701:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Yoshiaki Kinosita 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 基礎科学特別研究員 (30879846)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: アーキアべん毛 / 回転モーター / ビーズアッセイ / ゴースト / ATP / ステップ回転 / Walker B 変異体 / Dwell time

Outline of Final Research Achievements

Microorganisms form the molecular motor that converts chemical energy into mechanical work. In this study, we challenged to elucidate the motility mechanism of the ATP-driven molecular motor of archaea, called an archaeallum. We performed the ghost-bead assay, enabling us to visualize the rotational motion of the archaellum, with the controlled intracellular-chemical condition. At high [ATP], the rotational motion of the archaellum was smooth without significant pauses. On the other hand, in the range of nM [ATP]s, frequent pauses were detected, and the angles between pauses were approximately 60 degrees. This size was consistent with the periodic structure of ATPase. We also performed the same experiments with a mutant that hydrolyzed ATP at 1/200 times slower, showing a similar stepping motion.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

微生物が持つ分子機械はその名の通り、ナノサイズの機械である。分子機械は化学的な”入力”を力学的な仕事として”出力"しており、その作動機序を解明することは将来的なナノロボット作製に貢献する。
微生物研究において、入力を調節することは非常に難しかった。その理由は細胞膜や細胞壁といった表層構造の存在によるもので、過去の多くの研究は出力のみを定量していた。本研究では独自に開発したゴーストを用いて、、入力に伴った出力を捉えることができた。また、周期的な停止を検出することで、本研究で用いたアーキアべん毛はステッピングモーターであることを示し、作動機序解明に資する結果を得た。