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生命における新規回転モーターの発見

研究課題

研究課題/領域番号 23K23853
補助金の研究課題番号 22H02589 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分43040:生物物理学関連
研究機関学習院大学

研究代表者

西坂 崇之  学習院大学, 理学部, 教授 (40359112)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2025年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
キーワードバクテリアIV型線毛 / アーキアべん毛モーター / バクテリアⅣ型線毛 / IV型線毛 / 分子モーター / ATPase / 3次元位置検出顕微鏡 / アーキアモーター
研究開始時の研究の概要

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、4年間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。

研究実績の概要

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.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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.

今後の研究の推進方策

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。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Detection of Steps and Rotation in the Gliding Motility of Mycoplasma mobile2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshiaki Kinosita, Mitsuhiro Sugawa, Makoto Miyata, Takayuki Nishizaka
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology

      巻: 2646 ページ: 327-336

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-3060-0_27

    • ISBN
      9781071630594, 9781071630600
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Immotile cilia mechanically sense the direction of fluid flow for left-right determination2023

    • 著者名/発表者名
      Katoh Takanobu A.、Omori Toshihiro、Mizuno Katsutoshi、Sai Xiaorei、Minegishi Katsura、Ikawa Yayoi、Nishimura Hiromi、Itabashi Takeshi、Kajikawa Eriko、Hiver Sylvain、Iwane Atsuko H.、Ishikawa Takuji、Okada Yasushi、Nishizaka Takayuki、Hamada Hiroshi
    • 雑誌名

      Science

      巻: 379 号: 6627 ページ: 66-71

    • DOI

      10.1126/science.abq8148

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Direct identification of the rotary angle of ATP cleavage in F1-ATPase from Bacillus PS32023

    • 著者名/発表者名
      Hasimoto Yuh、Sugawa Mitsuhiro、Nishiguchi Yoshihiro、Aeba Fumihiro、Tagawa Ayari、Suga Kenta、Tanaka Nobukiyo、Ueno Hiroshi、Yamashita Hiroki、Yokota Ryuichi、Masaike Tomoko、Nishizaka Takayuki
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 122 号: 3 ページ: 554-564

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.12.027

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cell shape controls rheotaxis in small parasitic bacteria2022

    • 著者名/発表者名
      Nakane Daisuke, Kabata Yoshiki, Nishizaka Takayuki
    • 雑誌名

      PLOS Pathogens

      巻: 18 号: 7 ページ: e1010648-e1010648

    • DOI

      10.1371/journal.ppat.1010648

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Thermosynechococcus switches the direction of phototaxis by a c-di-GMP-dependent process with high spatial resolution2022

    • 著者名/発表者名
      Nakane Daisuke, Enomoto Gen, Bahre Heike, Hirose Yuu, Wilde Annegret, Nishizaka Takayuki
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 11 ページ: 73405-73405

    • DOI

      10.7554/elife.73405

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Insights into the mechanism of ATP-driven rotary motors from direct torque measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Nishizaka, T
    • 学会等名
      NanoBioCoM2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Insights into the mechanism of ATP-driven rotary motors from direct torque measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Nishizaka, T
    • 学会等名
      11th International Conference on Biological Physics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Insights into the mechanism of ATP-driven rotary motors from direct torque measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Nishizaka, T
    • 学会等名
      Telluride Science Research Center Workshop on Protein Dynamics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Archealla motor changes the direction of rotation in response to periodic light stimuli2023

    • 著者名/発表者名
      石井一希 鹿毛あずさ 伊原礼華 中根大介 西坂崇之
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Visualization of dynamic behavior of biomolecules, bacteria & viruses using advanced optical microscopes2022

    • 著者名/発表者名
      西坂崇之
    • 学会等名
      学術変革領域研究(A)「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」 シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Gliding direction of Mycoplasma mobile correlates with asymmetric configuration of the cell body2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木香菜,中根大介,鹿毛あずさ,西坂崇之
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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