高エネルギー変換効率を可能とするべん毛モーター回転軸と軸受の構造と機能の解明

阐明可实现高能量转换效率的鞭毛电机旋转轴和轴承的结构和功能

• 批准号: 21J12128
• 负责人: 山口 智子
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology (2022)Osaka University (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12128/
• 关键词: べん毛モーター; クライオ電子顕微鏡; 軸受け; 軸; 自己集合; 立体構造解析; タンパク質; LPリング; 構造解析; サルモネラ; ロッド

回転型モーターには、回転子や固定子の他に、トルクを外部に出力するための回転軸と、軸を支える軸受けが存在します。細菌の運動を駆動するべん毛モーターも上記と同様の構造を持ち、細胞内外のプロトン勾配による電気化学ポテンシャルエネルギーをほぼ100％の効率でトルクに変換し、F1レーシングカーのエンジンに匹敵するほどの高速で回転する非常に効率の良いモーターとして知られています。べん毛モーターにおいて軸受け構造であるLPリングは、軸であるロッドを取り囲むようにリング状に存在しています。これら二つはべん毛モーターが機能する際には独立して存在しており、LPリングがどのようにロッドの周りに適切に配置・形成されるのかはわかっていませんでした。本研究では、べん毛モータ形成の中間状態を模擬したポリロッド-Pリング（通常より長く重合したロッドの周りにPリングのみが直接結合した）複合体の立体構造をクライオ電子顕微鏡による単粒子像解析を用いて解析することで、LPリングがロッド周りに自己形成される過程を詳細に調べました。Pリングのロッドに対する傾きを確認した結果、ポリロッド- Pリング状態におけるPリングはロッド-LPリングにおけるPリングより約3°傾いてロッドに結合しており、Pリングがロッドに結合する際はPリングを構成するタンパク質であるFlgIとロッドの一部を構成するFlgGのフレキシブルな領域が足場となることでロッド周りのPリング形成を支えていることが示唆される結果となりました。

除了转子和定子之外，旋转电机还具有向外部输出扭矩的旋转轴和支撑该轴的轴承。驱动细菌运动的鞭毛马达具有与上述类似的结构，以几乎100%的效率将来自细胞内外质子梯度的电化学势能转化为扭矩，可与一级方程式赛车的发动机相媲美。它被称为高速旋转的高效电机。 LP 环是鞭毛马达中的轴承结构，以环形形式存在于杆（即轴）周围。当鞭毛运动发挥作用时，这两个元件独立存在，并且尚不清楚 LP 环如何在杆周围正确定位和形成。在这项研究中，我们使用冷冻电子显微镜检查了多杆-P环（只有P环直接结合在比通常的聚合杆更长的周围）复合物的三维结构，该复合物模拟了鞭毛运动形成的中间状态，通过使用单粒子图像，我们详细研究了 LP 环在棒周围自形成的过程。检查 P 环相对于杆的倾斜度的结果发现，与多杆-P 环状态下的 P 环相比，多杆-P 环状态下的 P 环以约 3° 的角度与杆连接。杆-LP环，当P环与杆连接时，结果表明，构成环的蛋白质FlgI和构成杆的一部分的FlgG的柔性区域充当支架以支撑在杆周围形成 P 环。

项目成果

Charles University faculty of science

查尔斯大学理学院

Charles University/BIOCEV(チェコ)

查尔斯大学/BIOCEV（捷克共和国）

BIOCEV

生物电动汽车

構造から紐解くバクテリアべん毛モーターの軸-軸受相互作用

从其结构揭示细菌鞭毛马达的轴轴承相互作用

• 发表时间: 2021
• 作者: 山口智子;牧野文信;宮田知子;南野徹;加藤貴之;難波啓一
• 通讯作者: 難波啓一

LPリング中のロッドの回転シミュレーション

杆在 LP 环中旋转的模拟

• 发表时间: 2023
• 作者: Yamaguchi Tomoko;Makino Fumiaki;Miyata Tomoko;Minamino Tohru;Kato Takayuki;Namba Keiichi;齋藤 玲・越中 康治・池田 和浩・保田真理・長谷川 真里・邑本俊亮;北尾彰朗
• 通讯作者: 北尾彰朗