西山雅祥 白眉センター特定准教授（物質－細胞統合システム拠点連携准教授）、金井保 工学研究科講師、竹川宜宏 名古屋大学理学研究科博士後期課程学生、本間道夫 同教授らの研究グループは、生物進化の源流に位置する超好熱性細菌の運動機能を明らかにすることに成功しました。本研究の成果から、細菌の祖先は水素イオンではなく、ナトリウムイオンを使ってべん毛モーターを回転させていたことが強く示唆されました。
本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」において、2015年8月5日午前10時（英国時間）に公開されました。
研究者からのコメント
今回の成果を応用することで、太古の地球で誕生した原始生命体の謎を解き明かすことができるかもしれません。また、さまざまな極限環境生物の遺伝子配列を利用することで、新たな人工ナノモーターの創造が期待できます。
本研究成果のポイント
- 超好熱性細菌のべん毛および運動能を解析
- 原始細菌型モーターを大腸菌内で再構築し、そのエネルギー源がナトリウムイオン流であることを明らかに
- 進化におけるモーターのエネルギー源の変遷をはじめて提唱
概要
細菌は、べん毛と呼ばれるらせん状の繊維をスクリューのように回転させることで水中を自由に泳ぐことができます。べん毛の回転はその根元の小さなモーターによって駆動されます。べん毛モーターを動かすためのエネルギー源は、モーター内を通るイオンの流れで、水素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなど、生物種によって異なるイオンを使うことが知られています。これらのエネルギー源の違いが、生物の進化においてどのように生み出されてきたのか、これまで分かっていませんでした。
本研究成果では、生物の進化の初期段階に分岐した細菌群に属する Aquifex aeolicus のべん毛モーターに着目しました。この細菌のエネルギー変換ユニットを大腸菌のモーター内で働かせたところ、本来は水素イオンを使って回転するモーターが、ナトリウムイオンを使って回転するようになりました。さまざまな細菌の遺伝子配列を比較することで、細菌の祖先がナトリウムイオンを使ってモーターのエネルギー変換を行っていたことや、エネルギー変換ユニットが進化の過程で他の細菌へと水平伝播されたことなどを予想させる結果が得られました。
べん毛モーターは、直径が50ナノメートル（2万分の1ミリメートル）という小ささでありながら、秒速200～1000回転以上という速さで回転します。このような微小でかつ高速回転するモーターは、人工物はもちろんのこと自然界でも他に類を見ません。
大腸菌は水素イオン（H + ）を使ってモーター回転のためのエネルギー変換を行うのに対して、細菌の祖先ではナトリウムイオン（Na + ）を用いてエネルギー変換を行っていたことが強く示唆された。
詳しい研究内容について
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/srep12711
[KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/198908
Norihiro Takekawa, Masayoshi Nishiyama, Tsuyoshi Kaneseki, Tamotsu Kanai, Haruyuki Atomi, Seiji Kojima, Michio Homma
"Sodium-driven energy conversion for flagellar rotation of the earliest divergent hyperthermophilic bacterium"
Scientific Reports 5, Article number: 12711 (2015)
Published online: 05 August 2015
