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化学と生物 Vol. 52, No. 12, 2014
好アルカリ性細菌の K ＋ /Rb ＋ 駆動型べん毛モーター
第三のイオンで働くナノマシンの発見
好アルカリ性細菌は，pH 10付近の高アルカリ性環 境で良好に生育し，一般にナトリウムイオン（Na＋）を 要求する ．この説明は，今から25年前に筆者が東京工 業大学の掘越弘毅先生の研究室に入り，好アルカリ性細 菌の研究を始めたころから現在に至るまで教科書や専門 書などでよく見かける文章だ．その当時，好アルカリ性 細菌が生産する菌体外酵素は，すでに洗濯物の汚れ落と し効果を向上させるために洗剤に添加されていたり，安 価なデンプン原料からの付加価値のあるサイクロデキス トリンの大量生産に利用されていたりと工業的に有用で あると注目されていた．
筆者自身も好アルカリ性細菌，特に研究対象であった 好アルカリ性 属細菌の生育には，Na＋が必要な のだと漠然と考えていた．高アルカリ性環境は，大腸菌 や枯草菌など好中性細菌がエネルギー産生に利用するプ ロトン（H＋）駆動力が利用しづらい環境であり，この ような環境に生息する好アルカリ性細菌は，細胞内外の Na＋の電気化学ポテンシャル差（Na＋駆動力）を利用し て細胞内pHを外環境よりも低く維持している．
ここで話を多くの細菌がもっている運動器官であるべ ん毛モーターに移す．べん毛は，図1に示すようにモー ターに相当する基部体，フィラメント状に細胞外に伸び たべん毛繊維，そしてそれらをつなぐユニバーサルジョ イントとして働くフックから構成されている．モーター 部分は，さらに回転子と固定子に分けられる．モーター に組み込まれた固定子の中を通って共役イオンである H＋やNa＋が流入することにより固定子の細胞質側の ループ領域と回転子複合体のFliGタンパク質のC末端 側が相互作用してモーターが回転すると推定されてい る．つまり，固定子部分が，イオン駆動力を回転力に変 換するエネルギー変換ユニットとして機能する重要な部 品となっている．
大腸菌は，H＋で駆動する周べん毛をもち，固定子複 合体であるMotA/MotBがMotA : MotB＝4 : 2として複 合体を形成している．海洋性ビブリオ属細菌は，Na＋で 駆動する極べん毛とH＋で駆動する側べん毛をもち，固 定子は，それぞれ，PomA/PomB複合体とMotA/MotB 複合体と呼ばれる．好アルカリ性細菌のべん毛モーター
がNa＋で駆動することは，すでに1980年代に報告がな されていた（1）．しかし，そのべん毛モーター固定子遺伝 子は同定されていなかった．2004年に筆者の研究グ ル ー プ が，好 ア ル カ リ 性 細 菌 OF4株より固定子遺伝子を同定し， / （pH and Sodium） と 命 名 し た（2）．MotP/MotSは，MotA/
MotB, PomA/PomB複合体とそれぞれ30％程度の相同 性がある．
さて，膜タンパク質である輸送酵素やイオンチャネル のイオン選択性の解明というのは，たいへん興味深い テーマである．F1Fo-ATPaseや電位駆動型のK＋チャネ ルやNa＋チャネルでは，分子レベルでイオン選択性の 研究が進んでいる．べん毛モーター固定子の場合，いま だにその複合体の結晶構造が解かれていないのでイオン 選択性について分子レベルでの議論ができていない．そ んななかで，果たしてべん毛モーターの共役イオンは，
H＋とNa＋だけなのか？ 電位駆動型チャネルのように K＋で駆動するべん毛もあってもいいのではないかと考 えた．中性付近で生育する微生物にとってH＋はありふ れたカチオンであり，進化の過程でもH＋を第1に生命 活動に利用することが優先されると推察される．しか し，好アルカリ性細菌が生息する高アルカリ性環境は，
中性環境に比べてH＋が利用しにくい．前述のように好 アルカリ性細菌は，このような環境でNa＋駆動力を利 用している．実は好アルカリ性細菌の中には，K＋があ ればアルカリ性環境で生育できるものもいる．これは，
青野らによって報告されていた（3）．また，昆虫の腸内か ら分離された好アルカリ性細菌は，K＋要求性を示すも のが多いようである．ヒトの排せつ物から分離された好 ア ル カ リ 性 細 菌 Vedder1934は，
K＋が存在すれば高アルカリ性環境で生育が可能であ る（4）．逆に，Na＋のみを含む培地での生育が非常に悪 い．このことは，この細菌が，高アルカリ性環境でK＋ サイクルを利用して生育していることを示唆している．
この菌のもつべん毛モーター固定子は，MotPS型で あった．しかし，Na＋駆動型のMotPSに特徴的なイオ ン選択性に重要であるMotSの膜貫通領域に存在するロ イシン残基は，この菌のものではメチオニン残基であっ
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た．そこで，この菌の固定子（Balc-MotPS）を解析す ることとした．Vedder1934株は，遺伝子操作が確立さ れていなかったので，Balc- 遺伝子を大腸菌の固 定子欠損株に発現させた．すると，その運動性を相補で きた．そこで，このモーターを遺伝子工学が容易な大腸 菌の系で解析した．その結果，このモーターは，MotPS 型固定子なのでNa＋を利用できたが，それ以外にK＋や Rb＋が存在すればべん毛が回転することがわかった．先 ほどのイオン選択性に重要な部位をメチオニン残基から ロイシン残基に置換するとK＋やRb＋が利用できなくな り，Na＋駆動型のモーターに戻ることもわかった（図 2）．
これまでの研究からさまざまなタイプのべん毛モー ターが発見された．自然界での微生物進化の過程で新し いモーターが創成されたと考えると興味深い．たとえ ば，好 ア ル カ リ 性 細 菌 KSM-K16は，
Na＋を共役イオンとして利用するように進化したH＋型 のMotABをもっている．この菌にとって，H＋に特異的 なH＋型固定子はアルカリ性環境での遊泳に不利であ る．そこで，この菌は，高アルカリ性環境に適応するた めにH＋型固定子を進化適応させ，高アルカリ性環境で は，H＋の代わりにNa＋を共役イオンとして利用するよ うにしたと考えられる．また，先ほど紹介した
は，Na＋型のMotPSをもっているが，K＋が 豊富に存在する高アルカリ性の腸内環境で生育する過程
で，K＋を利用できるように適応進化したと考えられる．
このようにそれぞれの微生物の生息環境に適応して，そ の運動器官であるべん毛モーターが新しいものへと進化
（深化）したことはたいへんに興味深いことである．こ れまで，微生物のべん毛モーターは，H＋かNa＋で駆動 すると考えられてきたが，今回，第3のイオンで駆動す るものが発見されたことは，今後のべん毛モーター研究 に多様性をもたらしてくれると考えている．地球上には さまざまな過酷な環境（極限環境）が存在し，そのよう な場所から多くの極限環境微生物が発見されている．今 後，これまで調べられていない環境から未知の微生物が 分離され，それらがもつ第4, 第5のイオンを利用するべ ん毛モーターが発見されても不思議ではないのではない か．また，それらの遺伝情報を利用して新たな生体ナノ マシンの創成ができる時代も近いのではないかと期待し ている．
1) N. Hirota & Y. Imae: , 258, 10577 (1983).
2) M. Ito, D. B. Hicks, T. M. Henkin, A. A. Guffanti, B. D.
Powers, L. Zvi, K. Uematsu & T. A. Krulwich:
, 53, 1035 (2004).
3) R. Aono & K. Horikoshi: , 129, 1083 (1983).
4) N. Terahara, M. Sano & M. Ito: , 7, e46248 (2012).
（伊藤政博，東洋大学生命科学部生命科学科）
図1■グラム陽性細菌のべん毛モーターの概略図
固定子であるMot複合体は，イオンチャネルとして機能し，チャ ネル中をイオンが通過するときにべん毛の回転子を回転させる駆 動力を発生させると考えられている．Mot複合体は，4つのMotA 型サブユニットと2つのMotB型サブユニットからなり，回転子の 周りに11個程度埋め込まれている．
図2■環境に応じてNa＋とK＋とRb＋が利用できるハイブリッ ド型モーターとNa＋しか利用できなくなった退化型モーターの 概略図
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伊藤 政博（Masahiro ITO）
＜略歴＞1994年東京工業大学大学院理工 学研究科化学工学専攻博士後期課程修了
（博士（工学））／同年マウントサイナイ医 科大学研究員／1997年より東洋大学生命 科学部教員，現在に至る＜研究テーマと抱 負＞未知なる極限環境微生物の機能を明ら かにすること，他人のやらない研究をする こと＜趣味＞観劇，海外旅行，美味しい料 理を食べること
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