大阪大学大学院生命機能研究科博士課程の山口智子さん（研究当時。現：京都大学大学院薬学研究科助教）、南野徹准教授、難波啓一特任教授（常勤）、同蛋白質研究所の加藤貴之教授、米国Utah大学のFabienne F.V. Chevance研究員、Kelly T. Hughes教授らの共同研究グループは、細菌の運動器官である「べん毛モーター」において、軸受構造（LPリング）が回転軸（ロッド）周りに構築されるメカニズムを明らかにしました。

ロッドの周りにPリングが形成された後、その上にLリングタンパク質が結合してLPリングが完成すると、リングがロッド表面から遊離して軸受となります。べん毛モーター回転時にはロッドとLPリング間の摩擦軽減のため、両者は物理的接触のない遊離した状態でいる必要があります。しかし、べん毛モーターの構築時にLPリングを遊離した状態で配置させることは難しく、どのようにしてロッドの周りの特定の位置に正しく形成し配置されるのかは未解明でした。

今回、共同研究グループは遺伝変異により長くなったポリロッドの周りにPリングが結合したポリロッドーPリング複合体 （PaPR）の構造をクライオ電子顕微鏡で解析し、LPリング形成の中間状態を捉えました。その結果、わずかに楕円形のPリングがロッドの回転軸に対して傾いて結合することでロッド表面の特定の位置に結合し、Lリングの形成に伴いLリングとロッドの間に立体障害が生じ、LPリング全体がロッドから遊離する巧妙なメカニズムを発見しました（図１)。

30種類以上の部品が自立して組み上がる仕組みを実現することは人工物では未だ困難であり、今回の発見は自己形成ナノマシンの設計ガイドとしてナノテクノロジー分野への応用が期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Communications biology」に、１１月５日（木）１１時（日本時間）に公開されました。

図1. べん毛モーターの軸受LPリングがロッドの特定の位置の周りに自己構築されるメカニズム

多くの細菌は運動のためにべん毛と呼ばれる回転モーターとらせん型プロペラのべん毛繊維を細胞表層に持っており、べん毛は約30種類以上のタンパク質が順序立って組み上がることで構築されます。

細菌べん毛は回転モーターである基部体（Basal body）、プロペラとして働くべん毛繊維、この二つをつなぐ自在継手のフックから形成されています。基部体の一部であるロッドとLPリングが形成される際には、まず５種類のロッドタンパク質が回転子リングの上に重合して、長さ20ナノメートルほどのロッドを形成します。そして、Pリングタンパク質がロッドの周りを取り囲むようにしてPリングを形成し、その上にLリングタンパク質が結合してLPリングが完成するとロッドが表面から遊離して軸受となります（図１）。

回転軸であるロッドが細胞内のモーターの高速回転を細胞外のべん毛繊維へ伝達することで細菌の遊泳を可能にしており、その高速回転を支えるのが軸受であるLPリングです。LPリングはペプチドグリカン層と細胞外膜にまたがって存在しています（図１）。べん毛モーターが回転するためには、ロッドとLPリング間の摩擦軽減のため両者が物理的接触のない遊離した状態でいる必要がありますが、べん毛モーターの構築時にLPリングをこの状態で配置させることは難しく、LPリング構築のメカニズムは謎のままでした。これまでの研究ではロッドとPリングの結合状態の構造が詳細に解析されていなかったため、Pリングがどのようにロッドに結合しているのか、また、Lリング形成時にどのようにしてLPリングがロッドから遊離するのかわかっていませんでした。

共同研究グループは、べん毛の軸受が形成する際の中間状態構造をクライオ電子顕微鏡で解析することによりそのメカニムズを詳細に解明しました。

まず、Pリングがロッドに結合した中間状態構造を効率よく捉えるため、通常よりもロッドが長く伸長した変異体のロッド（ポリロッド）の周りにPリングが数多く結合したポリロッドーPリング複合体（P-ring attached to the polyrod : PaPR）を作りました (図2)。これによりクライオ電子顕微鏡写真一枚あたりに得られるロッドーPリング複合体の像を効率的に数多く集めることが可能になりました。

解析の結果、Pリングタンパク質FlgIの構造は基部体のLPリングとPaPRで大きく変わりませんでした。一方で、Pリングの全体構造は、LPリングではほぼ真円でロッドの回転軸に対して垂直に配置しているのに対し、PaPRではわずかに楕円形でロッドの回転軸に対して傾くことでロッド表面との接触面積を増やして結合していることが分かりました（図３）。

その後Pリング上にLリングタンパク質FlgHが結合してLPリングが形成すると、Lリングとロッドの間に立体障害が生じるためPリングがロッド表面から遊離し、軸受としてのLPリングが完成すると示唆されました（図1、3 )。このことから、部品の製作も組み付けも全自動で完了する細菌べん毛が持つ精巧な仕掛けが新たに分かりました。

図2. ポリロッドーPリング複合体(PaPR)の立体構造. 左から、電子顕微鏡解析で得られた密度マップ、マップ断面図、分子モデル

図3. PaPRと基部体のLPリングにおけるPリング構造の比較

30種類にも及ぶ構成部品を精密に制御して自己構築により組み上げ機械を完成させることは未だに技術的に困難です。しかし、べん毛モーターではそれがごく普通のこととして実現しており、自然界の洗練された仕組みに驚かされます。本研究成果で明らかになった細菌のナノマシンの自己構築メカニズムの一端は、効率的なドラッグデリバリーシステムなどナノマシンへの応用が多いに期待されます。

本研究成果は、2026年11月5日（木）11時（日本時間）に米国科学誌「Communications Biology」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Structural insights into the assembly mechanism of the molecular bushing in the bacterial flagellar motor”
著者名：Tomoko Yamaguchi, Tohru Minamino, Takayuki Kato, Fabienne F.V. Chevance, Kelly T. Hughes and Keiichi Namba
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1038/s42003-026-10640-y

なお、本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金 JP25000013 (難波啓一), JP19H03182, JP22H02573、JP22K19274 (南野徹), JP21J12128 (山口智子)、文部科学省科学研究費補助金JP20H05532、 JP22H04844 (南野徹)、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム（BINDS）JP21am0101117、JP22ama121003（研究代表者：難波啓一）、および医療研究開発革新基盤創成事業(CiCLE) JP17pc0101020 (難波啓一)および 日本電子（JEOL）YOKOGUSHI協働研究所 (難波啓一)の助成を受けたものです。また理化学研究所から、山口智子は大学院生リサーチ・アソシエイト（JRA）として、難波啓一は生命機能科学研究センターチームリーダーとして支援を受けました。