名古屋工業大学生命・応用化学類の錦野達郎助教、大阪大学大学院理学研究科の竹川宜宏助教、今田勝巳教授、生命創成探究センターのBurton-Smith Raymond特任助教、村田和義特任教授、名古屋大学大学院理学研究科の小嶋誠司教授、内橋貴之教授、本間道夫名誉教授らは、海洋性ビブリオ菌のべん毛モータータンパク質FliLの構造動態を明らかにしました。

細菌は、べん毛と呼ばれる繊維状の運動器官をスクリューのように回転させることで運動します。べん毛の回転により、細菌は自身の生育や増殖に有利な環境にたどり着くことができます。べん毛繊維の根元には、べん毛モーターと呼ばれるタンパク質複合体が存在します。固定子複合体は、べん毛モーターを構成するタンパク質複合体の1つであり、イオンチャネルとして機能し、その構造変化によってモーターのトルク（回転力）を発生させます。本研究で着目した膜タンパク質FliLは、細菌周囲の粘度が高く、モーターの回転に負荷がかかる環境において固定子複合体と相互作用し、固定子複合体の構造変化を補助する役割を持つと考えられています。これまでにFliLはリング状の構造を形成することは知られていましたが、どのようにFliLのリング状構造が固定子複合体の周りに集合するのかは明らかになっていませんでした。本研究では、クライオ電子顕微鏡と高速原子間力顕微鏡を用いて、FliLのうち、細胞膜外側のペリプラズム空間に存在するドメイン（FliL_C）の構造動態を観察し、柔軟なリング構造を形成していることを見いだしました。

本研究で得られた知見を基に、FliLの機能と固定子複合体への相互作用を明らかにすることで、病原性細菌の運動能を制御し、病原性や感染性の不活化、および生体分子を模倣した極小分子モーターの開発につながると期待されます。

本研究成果は、2026年7月27日に国際学術誌Molecular Microbiologyのオンライン速報版に掲載されました。

数十種類のタンパク質から組みあがる細菌べん毛モーター（図1）は、非常に高いエネルギー変換効率を持つ直径数十ナノメートルの大きさの分子モーターです。べん毛モーターの回転により、細菌は自身の生育に有利な環境にたどり着くことができます。べん毛の機能は細菌の病原性の発揮にも密接に関係しています。本研究で用いた海洋性ビブリオ菌のモーターは、細胞膜内外に形成されるナトリウムイオンの電気化学的勾配をエネルギー源として回転します。2種類の膜タンパク質PomA, PomBからなる固定子複合体がナトリウムイオンチャネルとして働き、ナトリウムイオンの輸送に伴う固定子複合体の構造変化がモーターのトルク（回転力）を生み出します。べん毛モーターは、粘度の低い液体中だけではなく魚の表面などの粘度が高い環境でも回転し、細菌の運動性を制御します。粘度が高い環境ではFliLと呼ばれるタンパク質が固定子複合体の周りに集合することで固定子複合体の構造変化を補助しています。これまでにFliLはリング状の構造を形成することは知られていましたが、どのようにFliLのリング状構造が固定子複合体の周りに集合し、機能するのかは明らかになっていませんでした。

図1. 海洋性ビブリオ菌べん毛モーターの模式図
写真はビブリオ菌の極べん毛の電子顕微鏡図。白丸破線で示した部分にべん毛モーターが存在する。

本研究では、海洋性ビブリオ菌の極べん毛のFliLのペリプラズム領域（FliL_C）を精製し、その構造動態をクライオ電子顕微鏡と高速原子間力顕微鏡を用いて解析しました。クライオ電子顕微鏡によりFliL_C試料を観察すると、10～12個のFliLCからなるリング状の複合体が形成されていました（図2）。これらのリング構造体は複数の構造動態を示し、正円を形成しているものや1か所に切れ目が入り対称性が崩れたものが見つかりました。高速原子間力顕微鏡での観察では、10個程度のサブユニットからなると考えられる正円のリング構造が時間変化に伴い、切れ目が入り対称性が崩れ、さらに元のリング構造に戻ることが分かりました（図3）。

図2. FliL_Cのクライオ電子顕微鏡単粒子解析
（A）リング状FliL_Cの二次元平均投影像。白矢印でリングの切れ目を示した。
（B）（A）を基にした疑似構造モデル。
（C）先行研究により明らかになっているFliL_Cの10量体構造を基にした疑似二次元投影像。
（D）先行研究のFliL_Cの10量体構造 （pdb_00006ahq）。

図3. 高速原子間力顕微鏡によるFliL_Cの動態の観察
（A）代表的なFliL_Cリングの観察像。
（B）時間経過によるFliL_Cリングの動態変化の様子。

本研究では、リング構造体を形成するFliLが柔軟性を持ち、ダイナミックに構造が変化することを世界で初めて明らかにしました。今後、固定子複合体と相互作用した状態のFliLの構造を明らかにすることにより、粘度が高い状態においてFliLが固定子複合体の機能をサポートする分子メカニズムの解明が期待されます。また、これらの知見により、負荷がかかる粘度の高い環境でも高いエネルギー変換効率で回転する分子モーターの仕組みの理解や、将来的な医学・工学分野での利活用に貢献することが期待されます。