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細菌個体レベルの「光」情報処理の理解

公募研究

研究領域情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理
研究課題/領域番号 20H05543
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関電気通信大学

研究代表者

中根 大介  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 助教 (40708997)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2021年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワードIV型線毛 / シアノバクテリア / 光学顕微鏡 / ダイナミクス / 走光性 / 情報伝達 / 生体運動
研究開始時の研究の概要

細菌という小さな生命体であっても,高度な情報処理機構をもつことが知られている。本研究では「走光性」という現象に注目する。走光性システムをもつ細菌に光を照射すると,光に向かって動くことが知られている。ここには「光の向きを認識する」という過程が含まれている。細菌には「眼点」は存在しない。では,なぜ彼らはこのような高度な情報処理ができるのだろうか?ここで我々は,光の照射を制御した際に,細菌1個体がどのように動き回るのか,特殊な光学顕微鏡下で詳細な観察を行う。この応答の変化から,細菌個体レベルの「光」情報処理の素過程を明らかにする。

研究実績の概要

細菌という小さな生命体であっても高度な情報理機構をもつことが知られている。本研究では「走光性」という現象に注目する。走光性システムをもつ細菌に光を照射すると、光に向かって動くことが知られている。ここには「光の向きを認識する」という過程が含まれている。細菌には「眼点」は存在しない。では、なぜ彼らはこのような高度な情報処理ができるのだろうか?ここで我々は光の照射を制御した際に細菌1個体がどのように動き回るのか、特殊な光学顕微鏡下で詳細な観察を行った。
光合成細菌である藍藻は「光」という刺激に対して、好きまたは嫌いという2つの真逆の応答を示す。この “好き嫌い” の切り替えがどのように起きるのかはこれまで不明であった。サーモシネココッカスという好熱性藍藻の場合、“光が好き” だという応答は緑色光によって誘起され、藍藻は光に向かって運動した。一方、“光が嫌い” だという応答は、緑色光+青色光で誘起され、光から離れるように運動をした。この真逆の意思決定は1分程度の光刺激によって可逆的に操作可能であった。一連の意思決定には、c-di-GMP という低分子の細胞内濃度に依存することも見出した。緑色光を検出すると c-di-GMP が分解されて細胞内濃度が低くなったたが、青色光を検出すると c-di-GMP が合成されて濃度が高くなった。この情報伝達物質の濃度変化によって、藍藻は心変わりを引き起こすことを明らかにした。藍藻の心変わりは環境応答という視点でも重要である。日々刻々と移り変わる自然環境にすぐさま応答することで、自身に最適な光環境へと移動できるのだと考えられる。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 3件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] Freiburg University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [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 D, Enomoto G, Bahre H, Hirose Y, Wilde A, Nishizaka T
    • 雑誌名

      eLife

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Live cell imaging of the twitching motility of cyanobacteria by high-resolution microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Nakane D
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology (Bacterial and Archaeal Motility)

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Isolation and visualization of gliding motility machinery in Bacteroidota2022

    • 著者名/発表者名
      Shibata S, and Nakane D
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology (Bacterial and Archaeal Motility)

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Live cell imaging of gliding motility of Bacteroidetes under high-resolution microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Nakane D, and Shibata S
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology (Bacterial and Archaeal Motility)

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Swimming motility assays of Spiroplasma2022

    • 著者名/発表者名
      Nakane D
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology (Bacterial and Archaeal Motility)

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design principles of the rotary type 9 secretion system2022

    • 著者名/発表者名
      Trivedi A, Gosai J, Nakane D, Shrivastava A
    • 雑誌名

      Frontiers in Microbiology

      巻: in perss

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Large-scale vortices with dynamic rotation emerged from monolayer collective motion of gliding Flavobacteria2021

    • 著者名/発表者名
      Nakane D, Odaka S, Suzuki K, Nishizaka T
    • 雑誌名

      Journal of Bacteriology

      巻: 203 号: 14

    • DOI

      10.1128/jb.00073-21

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular ruler of the attachment organelle in Mycoplasma pneumoniae2021

    • 著者名/発表者名
      Nakane Daisuke、Murata Kohki、Kenri Tsuyoshi、Shibayama Keigo、Nishizaka Takayuki
    • 雑誌名

      PLOS Pathogens

      巻: 17 号: 6 ページ: e1009621-e1009621

    • DOI

      10.1371/journal.ppat.1009621

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 精密3次元位置検出が拓く多様な分子モーター研究への新しいアプローチ2021

    • 著者名/発表者名
      NISHIZAKA Takayuki、KATOH Takanobu A.、NAKANE Daisuke
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 61 号: 6 ページ: 395-397

    • DOI

      10.2142/biophys.61.395

    • NAID

      130008120200

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Campylobacter jejuni motility integrates specialized cell shape, flagellar filament, and motor, to coordinate action of its opposed flagella2020

    • 著者名/発表者名
      Cohen EJ, Nakane D, Kabata Y, Hendrixson DR, Nishizaka T, Beeby M
    • 雑誌名

      PLOS Pathogens

      巻: 16 号: 7 ページ: e1008620-e1008620

    • DOI

      10.1371/journal.ppat.1008620

    • 関連する報告書
      2020 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] 好熱性シアノバクテリアは c-di-GMP 依存的に走光性方向を切り替える2022

    • 著者名/発表者名
      中根大介
    • 学会等名
      第95回 日本細菌学会総会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Mycoplasma gliding against a fluid flow2021

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Nakane
    • 学会等名
      23th Congress of International Organization of Mycoplasmology
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 動きの可視化から紐解く原核生物の新しい世界2021

    • 著者名/発表者名
      中根大介
    • 学会等名
      日本Archaea研究会 第33回講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細菌のドリル戦車2021

    • 著者名/発表者名
      中根大介
    • 学会等名
      第44回 エアロ・アクアバイオメカニズム学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 微生物はからだの中でかしこく行動するのかな?2021

    • 著者名/発表者名
      中根大介
    • 学会等名
      第40回 動物行動学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細菌のドリル戦車2021

    • 著者名/発表者名
      中根大介
    • 学会等名
      第104回 日本細菌学会関東支部総会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 肺炎マイコプラズマの走流性2021

    • 著者名/発表者名
      中根大介、加畑嘉希、西坂崇之
    • 学会等名
      日本細菌学会総会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ちょっと変わった微生物の動き2020

    • 著者名/発表者名
      中根大介
    • 学会等名
      生物流体におけるモデリング
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光刺激によるアーキアラ・モーターの回転方向制御2020

    • 著者名/発表者名
      伊原礼華、中根大介、西坂崇之
    • 学会等名
      日本生体エネルギー研究会討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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