大阪大学蛋白質研究所の加藤貴之教授および大学院生命機能研究科の難波啓一特任教授らの研究グループは、細菌べん毛モーターの回転をプロペラであるべん毛にスムーズに伝えるナノサイズのユニバーサルジョイントの分子メカニズムを明らかにしました。

これまでべん毛のユニバーサルジョイントである“フック”の構造は、解析しやすい直線状に調整された試料でしか解析されていませんでした。

今回、加藤教授、難波特任教授らの研究グループは、クライオ電子顕微鏡を用いて機能状態でらせん状に曲がったフックの自然な形のままでの構造解析に成功し、ユニバーサルジョイントとして機能するメカニズムを原子レベルで明らかにしました。これにより、ナノデバイスの設計や新規抗生物質の開発に役立てることが期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」に、11月22日（金）19時（日本時間）に公開されました。

図1　クライオ電子顕微鏡によって明らかにされた曲がったフックの立体像と原子モデル（右は断面）

細菌はべん毛というらせん繊維状の運動器官を回転させて水中を自由に泳ぎ、栄養を求めて住みやすい環境へ移動します。べん毛の根元には回転する分子モーターがあり、F1マシンのエンジンに匹敵する毎分20,000回転ときわめて高速で回転できる上、そのエネルギー変換効率も100%に近いとても高性能なモーターです。べん毛は、基部体、フック、フィラメントの3つの部分構造からなり、その回転はモーターとして働く基部体で発生し、それがプロペラとして働くらせん型フィラメントに伝わることで推進力を生みだします。このモーターの回転をフィラメントに伝えるのがフックで、フィラメントがどのような方向を向いていてもスムーズに回転を伝える自在継ぎ手（ユニバーサルジョイント）としての役割を果たします。

フックはFlgEというタンパク質分子が約120個らせん状に重合した長さ約55nmのチューブ状の構造体で、名前の由来の通り曲がった構造をしています。これまでにもフックの構造はX線結晶構造解析法とクライオ電子顕微鏡法を組合わせ解析されてきましたが、構成分子のらせん対称性配列を効率的に活用して解析するために、フックを低温下で直線状にした試料が用いられており、機能状態の曲がった構造は明らかにされていませんでした。

今回、難波特任教授らの研究グループでは、らせん対称を使わず、単粒子像解析法を用いることで、本来の機能状態である曲がったままのフックの構造を、3.6Å分解能で解析し、原子モデルを構築することに成功しました。

FlgE分子は3つのドメインからなり、各ドメインは比較的柔軟なリンカーによって繋がれています。フックのチューブ構造はこの3つのドメインに対応する3層構造をしており、それぞれの層は異なった方向に強い相互作用で結合して11本の素繊維の束でできたチューブ構造を安定化していました。しかし、素繊維方向には分子間にたくさんの隙間があり、モーターの回転時には各FlgE分子がドメイン構造と一部の分子間相互作用を保ったまま連続的に伸び縮みを繰り返し、分子間では素繊維に沿って相互にスライドすることで、フック全体の曲げに対する柔軟性を実現していました。その際、各ドメインの構造は安定に保持したまま、リンカー領域が柔軟に構造変化することでドメインの配置を変えていました。フックの曲げには柔軟で回転によるねじれには強いユニバーサルジョイントとしての機能を発揮するしくみが、こうして原子レベルで解明されました。

図2　細菌から生えたべん毛（上左）とその根元の模式図（上右）及びフックの3層構造モデル（下左）とべん毛モーターにつながったフックの原子モデル（下右）。

細菌の感染及びその病原性は細菌の運動性に密接にかかわっており、その運動はべん毛が担っています。べん毛フックのユニバーサルジョイントとしての機能を失った細菌は自由に泳ぎ回ることができないため、その機能を阻害する物質は新規抗生物質の候補になりえます。本研究の結果により新規抗生物質の開発の推進が期待されます。

また、粘性の高い組織粘膜を通過してドラッグデリバリーするナノマシンには動力が必要で、ユニバーサルジョイント機能はその動力伝達システムとしても非常に重要です。今回のフックの構造と機能の解明はナノマシンやナノデバイスの設計に役立つ貴重な情報となると考えられます。

本研究成果は、2019年11月22日（金）19時（日本時間）に英国科学誌「Nature communications」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Structure of the native supercoiled flagellar hook as a universal joint”
著者名：Takayuki Kato, Fumiaki Makino, Tomoko Miyata, Peter Horvath and Keiichi Namba

なお、本研究は、JSPS科研費（25000013、18K06155）、AMED/BINDS（JP19am0101117）、AMED/CiCLE（JP17pc0101020）、および日本電子YOKOGUSHI協働研究所の支援の一環として行われました。

今回の成果は、10年近くにわたって日本電子株式会社と共同開発を進めてきた最先端クライオ電子顕微鏡CRYO ARMの高い性能を活用することで得られたものであり、これまで構造解析は不可能と思われてきた生体分子複合体ナノマシンの生理学的な構造を可視化する道具として、クライオ電子顕微鏡の今後一層の技術開発の重要性を示した成果でもあります。