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　大腸菌を含む多くのバクテリアは、べん毛とよばれるらせん状の繊維をスクリューのように回転させて水中を泳ぎ、より良い環境へと移動する。べん毛の回転は、その根元の細胞膜に埋まっている、直径がわずか45ナノメートル（1ナノメートルは10億分の1メートル）のべん毛モーターによって駆動される（図１）。大腸菌べん毛モーターは、毎分約2万回転とF1エンジンにも匹敵する高速駆動をしながら、瞬時に回転方向を切り替え、100％に近い効率でエネルギー変換することができる、私たちの技術では実現できない高性能なナノマシンである。
　だが、べん毛モーターの構造をみると、意外にも人工モーターと共通性がみられる。つまり、べん毛繊維へとつながる「回転子」と、その周囲を取り囲むように配置した複数個の「固定子」から構成されているのである。ただ、回転のためのエネルギー源は電流（電子の流れ）ではなく、水素イオンまたはナトリウムイオンの流れである。大腸菌のべん毛モーターは水素イオンのみを通過させる固定子(MotAMotB)をもつ。エネルギー変換機構の鍵となる固定子に関する研究は精力的におこなわれているが、その中でも特に興味深い成果として、大腸菌べん毛モーターの回転子と相互作用してナトリウムイオンで駆動できるように遺伝子改変された固定子(PomAPotB)があった。
　この研究では、大腸菌が本来持つ水素イオン固定子(MotAMotB)と遺伝子改変ナトリウムイオン固定子(PomAPotB)を、大腸菌べん毛モーター回転子と同時に相互作用させられるか試みた。モーター1個の回転を観察した結果、水素イオン、ナトリウムイオンの両方のエネルギー源を利用して回転する「ハイブリッドエネルギー型モーター」として機能することが示された（図２）。詳しい解析により、水素イオン固定子とナトリウムイオン固定子の発生する回転力特性は異なるものの、それらが同時に相互作用する際はお互いを干渉することなく加算的に機能する、柔軟な機構を備えていることが明らかとなった。さらに、ナトリウムイオンの濃度が高いときはナトリウムイオン固定子の方が大きな回転力を発生させ、逆にナトリウムイオンの濃度が低いときは水素イオン固定子の方が大きな回転力を発生するが、外環境のナトリウムイオン濃度に依存して、モーター内の固定子がダイナミックに入れ替わって再配置し、モーターの回転出力が自動的に最適化されることがわかった。このように入力エネルギーに応じて、柔軟にシステムのパフォーマンスを最適化させる仕組みは、将来私たちが人工的なナノマシンを設計する上で、重要な知見を与えてくれるものと期待される。
　また、今回の研究では大腸菌内で機能するハイブリッドモーターを人工的に作成したが、自然界には複数種類の固定子をもつバクテリアが存在する。これらのバクテリアのべん毛モーターも環境に依存してモーター出力を調節しているのではないかと予想され、バクテリアの生き残り戦略を考察する上でも重要な結果と考えられる。

※詳細は添付の資料を参照。


【掲載誌情報】
Proceedings of the National Academy of Sciences　（米国科学アカデミー紀要）
論文タイトル：　Hybrid Fuel Bacterial Flagellar Motors in Escherichia coli
著者：　Yoshiyuki Sowa, Michio Homma, Akihiko Ishijima, Richard M. Berry


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