大阪市立大学大学院 理学研究科の宮田 真人（みやた まこと）教授は、大阪大学日本電子YOKOGUSHI協働研究所の難波 啓一（なんば けいいち）特任教授、大阪大学蛋白質研究所の加藤 貴之（かとう たかゆき）教授、金沢大学ナノ生命科学研究所の古寺 哲幸（こでら のりゆき）教授、安藤 敏夫（あんどう としお）特任教授の研究チームと共同で、最小の細菌である「マイコプラズマ・モービレ」が滑走するための分子モーターの構造を世界で初めて明らかにしました。この発見は、細胞やタンパク質の進化に対する理解に一石を投じるもので、ナノスケールのデバイスや医薬品を開発するための基盤になることが期待されます。

マイコプラズマは、菌体の片側に小さな突起“滑走装置”を形成し、この突起で宿主組織の表面にはりつき、はりついたまま“滑走運動”を行います。この運動はマイコプラズマの限られた種にのみ見られる特殊なもので、運動のエネルギーはATP加水分解により供給されます。この運動を担う分子モーターがほとんどの生物に存在するATP合成酵素から進化したことが遺伝情報を基に示唆されていましたが、構造観察に基づいた直接の証拠はありませんでした。今回、生化学的な手法、電子顕微鏡、そして最先端技術である高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を用いることで、滑走の分子モーターの構造をナノメートルレベルで明らかにすることに成功しました。

本研究成果は、2021年7月20日19時（日本時間）に、米国微生物学会オンライン誌である『mBio』に掲載されました。

本研究では、マイコプラズマ滑走のための分子モーターを細胞から取り出し、電子顕微鏡と高速AFMを用いて、その構造をナノメートルレベルで明らかにしました。驚いたことにそれは、2つのATP合成酵素が円筒状の複雑な構造を介してペアを形成し、さらに縦方向につながって鎖になったものでした（下図右）。これまでに似たような構造は全く見つかっていません。この構造は、マイコプラズマ滑走運動の分子メカニズムを原子レベルで解き明かす大きなヒントを与えるだけではなく、マイコプラズマの滑走モーターがATP合成酵素に由来することを示しています。また、ATP合成酵素が運動という本来とは全くかけ離れた役割を担うように進化したことも明らかになりました。

図 滑走の分子モーター （左）マイコプラズマ細胞の模式図。赤矢印の方向に滑走する。分子モーターは細胞膜の直下に存在し、外側の赤い線で表されたあしを動かす。（中央上）電子顕微鏡像。（中央下）高速AFM像。（右）分子モーターの模式図。赤と黄で表された花の様な部分がATP合成酵素に似ている部分。青で表された円筒状の構造でペアと鎖が形成されている。
©大阪市立大学　宮田真人

単離した分子モーターをクライオ電子顕微鏡法で解析することで、原子レベルの構造を明らかにして、ATP加水分解のエネルギーがどのように滑走運動の動きに変換されるかを構造から読み解いていきます。また、単離したモーターのATP加水分解反応における実際の動きを高速AFMにより明らかにします。

滑走の構造とメカニズムの詳細を明らかにすることで、運動能の起源と動作原理に迫ることができ、ナノスケールのデバイスや医薬品を開発するための基盤になることが期待されます。

雑誌名：mBio（IF＝7.9）
論文名：Chained structure of dimeric F1-like ATPase in Mycoplasma mobile gliding machinery
著者：Toyonaga T, Kato T, Kawamoto A, Kodera N, Hamaguchi T, Tahara YO, Ando T, Namba K, Miyata M.
URL：https://doi.org/10.1128/mBio.01414-21