さまざまな環境に適応するために、バクテリアはべん毛モーターを精密に調整する

さまざまな環境に適応するために、バクテリアはべん毛モーターを精密に調整するナノテクノロジー
最近の研究では、鞭毛が細胞の機械的環境の変化を感知する役割を果たしていることが示唆されています。

テキサスA&M大学の研究者らは、バクテリアが環境中のさまざまな粘性に適応するためのメカニズムを解明しました。

バクテリアは、約35億年の間に、消化管の内壁や間欠泉の高温の水など、あらゆる種類の生息環境をコロニー化する技術を身につけてきました。しかし、世界制覇を目指すバクテリアは、多様な環境を移動する際に、ナビゲーション装置の保存という重大な問題に直面しています。

このたび、テキサスA&M大学の研究者らは、バクテリアのナビゲーションを司る「べん毛」と呼ばれる器官が、液体の粘性の変化に非常に正確に適応することを発見し、学術誌「Nature Communications」に掲載されました。この適応により、細菌は「べん毛」を使って栄養分を探したり、表面を感知したり、異なる生息地でコロニーを作ったりし続けることができます。

Artie McFerrin化学工学科のPushkar Lele准教授は、「生物医学の分野では、個々の細菌細胞がどのようにして孤独な存在から共同体のライフスタイルに移行するのかを理解することに大きな関心が寄せられています。この疑問に答えるために、私たちは、細菌がさまざまな種類の環境に遭遇したときの応答ハブとしての「べん毛」の役割を研究しています。」と述べています。

バクテリアは、化学物質を感知して、濃度が高い方や低い方に泳ぐという走性を利用して、栄養分のある方に移動します。走路における「べん毛」の役割はよく知られており、化学走性を促進するために、「べん毛」の回転方向を時計回りと反時計回りに可逆的に切り替えます。「べん毛」の回転は、内部のステーター(固定子)ユニットによって行われており、シーリングファンの電気モーター内のローターを回転させるステーターと同様の概念です。

Bacteria Colonization

しかし最近では、「べん毛」は細胞内の機械的環境の変化を感知する役割も果たしていることがわかってきました。つまり、細菌が「べん毛」の回転に対する抵抗が増加した場合、それは環境の粘性が増加したこととして感知されることになります。

これを受けて、「べん毛モーター」はステーターユニットを余分に採用して、より大きなパワーを発生させて補います。しかし、抵抗が大きくなると、「べん毛」の回転方向を変えることができなくなり、化学走性のメカニズムが機能しなくなる可能性があることも研究で明らかになっています。

「この観察結果には難問がありました。走化性は、1種類の粘性環境に限定されるとは考えにくい。そこで、さまざまな粘性環境下で方向転換、ひいては化学走性を回復させるために、「べん毛モーター」内で何か適応が起こっているのではないかと考えたのです。」

実験では、蛍光標識1ある分子に、蛍光性の分子を直接的、もしくは間接的に結合させて、その分子の目印とすること。された化学走性タンパク質CheY-Pが「べん毛モーター」に結合して、「べん毛」のスイッチングを開始する大腸菌株を選びました。モーターに抵抗を加え、高倍率の顕微鏡を使って蛍光のレベルを観察しました。その結果、遺伝子技術を用いて固定子タンパク質を除去すると、蛍光が基準値以下に低下することがわかりました。

一方、ステーターが継続的にトルクを与えてモーターを回転させると、蛍光のレベルは基準値を維持しました。このことから、ステーターユニットの存在は、CheY-Pのモーターへの結合を促進することが示唆されました。

これらの観察結果から、研究チームは、高粘度の環境下では、ステーターユニットを増やして機械的なトルクを増大させることで、CheY-Pのモーターへの結合が促進され、「べん毛」のスイッチング機能の恒常性が維持されるのではないかと考えました。

Lele准教授は、変化する機械的負荷に適応するために内部状態を微調整するこの現象は、神経系を持つ生物が自分の位置や速度を継続的に直感して、ホメオスタシスや安定した生理状態を得るために適応的な変化を行う「自己受容的適応」に酷似していると指摘しています。例えば、昆虫の筋骨格系は、床や天井を歩くときに、手足にかかる負荷の変化に応じて、姿勢やグリップを維持するために、内部で適応・調節しています。

「べん毛のスイッチングにおける恒常性は、運動性細菌が群れを形成し、さまざまな環境にコロニーを作るのに役立っているようです。」とLele准教授は述べています。メカノセンシングと走化性の間に観察された関連性の基盤を説明することは、将来的に細菌のコロニー形成、感染症、抗生物質耐性を防ぐ上で重要になるでしょう。」と述べています。

Published by Texas A&M University. Jyot D. Antani et al, Mechanosensitive recruitment of stator units promotes binding of the response regulator CheY-P to the flagellar motor, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25774-2
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