2023 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring new rotary molecular motor in living organism
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22H02589
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | バクテリアⅣ型線毛 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の研究において、線毛の重合・脱重合装置によって固体表面を自在に動き回ることのできるシアノバクテリア Synechocystis sp. PCC6803 株をモデル生物として扱ったが、今年度はさらに、マイコプラズマの一種であり、魚類に感染する Mycoplasma mobile を研究対象に含めた．
線毛の研究においては、細胞本体をガラス表面に吸着させ、線毛の引き込みを微小蛍光粒子を通じて可視化し、データの蓄積を行っている．2008年に研究室で開発した、2次元の画像から3次元の情報を取り出し、なおかつナノメートルの精度で粒子を追跡する光学顕微鏡による観察を進めた（Yajima, ... & Nishizaka, Nat Struct Mol Biol, 2008. 15: 1119-21）．昨年度に引き続き、バクテリアの生育条件に加え、観察に用いるプローブの粒子径や溶液の粘度、撮影条件を絞り込み、これまで２次元でしか論じられてこなかったⅣ型線毛の動きの実体が、３次元的に明らかになりつつある．
マイコプラズマの研究では、ガラス基板に結合しながら特徴的な旋回運動を伴う滑走の仕組みが何に由来するのかを検討し、新しい画像解析方法を開発した．バクテリアの形状の精密計測について、画像を表現する関数を組み合わせながら、その重心位置および非対称性を表すパラメータによって形状を近似するという独自の方法論である．Myocplasma mobile のフラスコ型の形状を、２つの2次元ガウシアンを組み合わせた関数でフィッティングをすることにより、その特徴的な形状を7つのパラメータで近似する方法を確立した．関数の中でも非対称な形状を表すパラメータはわずかひとつであり、そのパラメータと運動する軌道の曲がりについて、正の相関があることが確認できた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
未だ世界で誰も可視化していない「線毛の回転運動の検出」の可視化に成功しており、引き続きデータの蓄積が進んでいる．らせんのピッチが 20 nm であり、この数字をもってこれまで明らかになっている他のバクテリアの線毛の構造との検討が可能になった。研究期間の前半においてデータと先行文献の情報を定量的に比較するという点から、研究はおおむね順調に進展していると判断できる．また研究対象を線毛運動に限らず、滑走運動に関しても新しい知見が得られたのは、研究を開始した段階では予想していなかった成果であった．
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| Strategy for Future Research Activity |
リニアモーターとして知られている「バクテリアIV型線毛 重合/脱重合 マシナリー」に、回転モーターとしての機能が内在しているという科学的仮説を、今後の研究期間内で厳密に証明する。申請者がこれまでに開発した、生体分子を高精度で検出する光学顕微鏡技術を駆使し、線毛が一方向に回転しながら細胞本体に引き込まれる様子をライブイメージとして直接的に可視化する。最終的には、線毛の構造およびアーキアべん毛モーターとの類似性を詳細に検討することで、分子モーター動作原理の本質的な原理構築を行う。
昨年度までは Synechocystis GT株（前助教の中根大介氏と共に光走性に関する重要な知見を報告、PNAS(2017)）を対象に線毛の回転の可視化を行っていたが、今後は好温性の棒状バクテリアである Thermosynechococcus vulcanus を観察対象として採用する。この生物は適性温度45-59℃であり、細胞の極にⅣ型線毛が局在する．線毛の位置特定が容易であることと、指摘温度よりあえて低い温度において顕微鏡観察を行うことができるため、モーターの機能を落とす（つまりは回転の速度もそれに応じて落ちる）ことができるのでは、という見込みである。高速度カメラによる観察を行っているが、観察対象のキネティクスが減ずれば、相対的に角度検出の時間分解能が上昇するのではという見込みである。
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