動きの可視化から紐解くバクテリアの新しい世界

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(1)Japanese Journal of Lactic Acid Bacteria Copyright © 2020, Japan Society for Lactic Acid Bacteria. 総. 説. 動きの可視化から紐解くバクテリアの新しい世界中根大介、西坂崇之学習院大学理学部物理学科生命にとって動きは本質的である。多くのバクテリアは、べん毛という繊維構造を使って水中を自由自在に泳ぐことができる。一方、このような優雅な運動様式を持たずに動き回るものもたくさん存在する。この不思議な生体運動は、多種多様なバクテリアにおいて観察されており、多くの研究者を魅了してきた。しかし、べん毛を使わずに、一体どのようにバクテリアが動くのか、そして推進力を発生する装置は何なのか、こういった点について不明のままであった。ところが、この 10-20 年の間に顕微鏡の可視化技術が発達することで、バクテリア個体やそこに含まれる運動装置の動きや構造を詳細に観察できるようになり、これらの運動メカニズムの理解は飛躍的に進展した。本総説では、「スパイダーマン」のように「糸」の伸縮による動きまわる仕組み、「キャタピラ」のように膜表面の流れを使って這う仕組み、「ドリル戦車」のように高粘性環境を潜りながら動く仕組みなど、バクテリアという小さな生命体が独自に発達させた生体運動様式について解説し、我々が得た最新の知見について紹介する。 Key words：Motility, Optical microscopy, Dynamics, Type IV pili, Gliding. 1．はじめに . 捕食者や劣悪な環境から逃れることができる。とりもなおさず、生命にとって動きは本質的である。このようなダイ. 「生命とは何か？」という生命科学における根本問題に. ナミックな個体のふるまいは、どのように設計され、制御. 関して、今日、多数の卓越した研究が行われつつある。複. されているのだろうか？. 製・転写・翻訳といった細胞内現象の再構築がすでに成功 2．生命体が動く仕組み . しており、このような構成的アプローチは様々な知見を生み出してきた。ここで、細胞本来のふるまいを考えるときに、案外忘れられがちなのが「動き」である。. レーウェンフックの歴史的な発見は今からおよそ 350 年. 17 世紀後半、レーウェンフックは自作した顕微鏡を使っ. 前の出来事になる。ところが意外なことに、「動く仕組み」. て、人類で初めてバクテリアを発見したと言われている。. に注目すると、実はあまり調べられていない。真核生物で. この時代、DNA のような遺伝情報という概念はもちろん. は、ミオシンやダイニン、キネシンといったモータータン. なく、微生物の純粋培養さえ確立されていなかった。では、. パク質が、アクチン繊維や微小管といった細胞骨格フィラ. なぜ彼は小さな物体を「生物（もしくは生命体）」だと認識. メントの上を動くことが知られている。しかし、バクテリ. できたのだろうか？この理由の 1 つは「動き」にある。. アなどの原核生物はこれらのモータータンパク質を持たな. 彼は、王立協会にあてた手紙の中で、その小さな物体が動. い。その代わり、多くのバクテリアは、べん毛と呼ばれる. きまわる様子を驚きとともに記述している。たった数ミク. 1）運動装置で水中を自由自在に泳ぐことができる。ところ. ロンの原始的な細胞であっても、まるで意志決定機構があ. が、このような一般的な運動様式を持たずとも動くことが. るかのように、生存に有利な環境に向かって進み、また、. できるバクテリアも多数存在する 2）。この不思議な生体運動は、多種多様なバクテリアから観察されており、たくさんの研究者を魅了してきた 3）。本総説では、小さな生命体. ＊. To whom correspondence should be addressed. Phone ： +81-3-3986-0221 E-mail ： [email protected]. （特にバクテリア）が独自に発達させた多様な生体運動様式を概説し、また、我々が得た最新の知見についても紹介 10 .

(2) Jpn. J. Lactic Acid Bact.. Vol. 31, No. 1. する。この 10-20 年間に飛躍的に進展したこの研究領域に. る 9）。ドリル戦車がどこまで広く存在するのか、また、な. ついて、ここではなるべく遺伝子名を使わずに、動きと形. ぜこのような仕組みで動くことができるのか、この総説を. に注目をして、その世界を眺めてみたい。. 執筆している時点では未解明の点がまだまだ残されている。このように、べん毛という非常に研究が進んでいる運. 3．バクテリアのドリル戦車. 動の中にさえ、思いがけない発見が潜んでいる場合もある。これらの新しい展開は、バクテリア 1 個体や装置その. 一般的に、バクテリアは「べん毛」と呼ばれるらせん繊. ものを光学顕微鏡で可視化し、そのダイナミクスを眺める. 維構造とその根元にあるモーターを回転させることで、ス. ことで初めて達成されるものである。. クリューのように推進力を発生させる 1）。真核生物の鞭 4．アーキアのべん毛. 毛・繊毛とは異なり、くるくると回ることが力発生の本質である。このとき、バクテリアはべん毛を水中になびかせながらスイスイと泳ぐ。これは教科書に記載されている. ここで、バクテリアとは少し話題が逸れるが、アーキア. 一般的な現象であり、多数の卓越した研究がこれまでにな. の運動について紹介をする。アーキア（古細菌）も、らせ. されている。ところが、必ずしもそうではない。我々は、. ん繊維を根元のモーターが回転させることで推進する 10）。. 4）. 2018 年にべん毛の新しい運動モードを発見した。それ. 一見すると、バクテリアのべん毛とよく似ているが、運動. は、モーターを逆回転させることで、自身の体にべん毛繊. 装置の進化起源は全く異なる 11）。この運動装置を「アーキ. 維を巻き付け、ドリルのように進むことができるのであ. アべん毛」と呼ぶ［ここ数年の英文誌では真核生物やバク. る（図 1）。まるで、トンネル掘削機のように、モーターを. テリアのべん毛 flagella との混同を避けるため、archaella. 先端にして、グリグリと掘り進む。この動きは周囲の粘. （アーキアラ）と記載されている文献があるが、本総説で. 性が高い場合にのみ観察されるため、恐らくこのイメー. はアーキアべん毛と記載する］。. ジと同じような役割をもつと推察される。このような「ド. 我々は、Halobacterium salinarum という高度好塩古細. リル戦車」のような動きは実は様々なバクテリアで見つか. 菌において、この運動の高精度測定にも成功している 12）。. りつつある。2017 年にドイツのグループが Shewanella. べん毛繊維を蛍光色素で標識させたのち、細胞が遊泳して. putrefaciens において初めてこの運動モードを発見し. いる様子を高時空間分解で観察すると、右巻きのらせん繊. た 6）。その後、Pseudomonas putida や Helicobacter suis. 維が時計回りに 1 秒間に約 20 回転することで推進してい. 5）. 。ほぼ同時期に、我々は Burkholderia. た。らせんの繊維を水中になびかせて動く様子は、バクテ. insecticola と Vibrio fischeri においてその存在を確認し. リアとそっくりである。しかし、詳しく見てみると異なる. た。著者らは、病原細菌である Campylobacter jejuni に. 点がいくつも見受けられる（図 2）。まず、アーキアべん毛. おいてもその存在を確認しており、現在論文を投稿中であ. は右巻きらせんの繊維であり、細胞体を前にして進む場. での報告がある. 7, 8）. 4）. 合、根本のモーターは時計回りに回転することで推進する。バクテリアべん毛と比較すると、鏡に映したように逆のキラリティをとる。運動のエネルギー源も異なり、アーキアべん毛は ATP 加水分解によって生じる自由エネルギーであるのに対し、バクテリアべん毛はイオンの膜透過によって生じるプロトン駆動力である 13）。また、根元にある回転モーターは 6 量体の ATPase であるが 14）、我々. 図 1．バクテリアべん毛のドリル戦車上：一般的な遊泳モード。中：べん毛巻き付け運動モード。下：ドリル戦車の顕微鏡画像（Burkholderia insecticola ）。. 図 2．バクテリアべん毛（上）とアーキアべん毛（下）の比較. 11.

(3) Vol. 31, No. 1. Japanese Journal of Lactic Acid Bacteria. はその回転力（トルク）は負荷に依らず一定であることを示している 15）。なぜ、このような違いがあるのかはまだ未解明な点が多い。そもそも、なぜアーキアは動くのだろうか。Halobac-. terium salinarum の場合、光に応答し、運動方向を制御することが知られている 16）。このとき、モーターの右回転と左回転が切り替わる。この情報伝達は二成分制御系であるため、バクテリアからの水平伝搬のように見受けられる 17）。つまり、装置の仕組みは違うのに、制御の仕組みはよく似ているのである。現時点ではわざわざ複雑なことをしているように感じてしまう。この詳細な仕組みについては、今後の研究が期待されるところである。 5．右手と左手を切り替えて泳ぐここで話題をバクテリアの運動に戻すことにする。バクテリアがスイスイ泳ぐ仕組みは、ほとんどすべてが「べん毛」に依る。ただ、たった 2 つだけ例外が知られている。 1 つは、Synechococcus と呼ばれるシアノバクテリア 18）で、もう 1 つが、Spiroplasma（スピロプラズマ）という細胞壁. 図 3．スピロプラズマの遊泳運動上：細胞の模式図。先端のチップ構造と内部の繊維が細胞骨格の役割を果たす。下：遊泳している細胞像。0.07 秒ごとにらせんのキラリティを決定し、表示した。. のないバクテリアである 19）。ここでは、後者の運動について、最近の我々の研究とともに紹介する。スピロプラズマは細胞壁のないバクテリアであるが 20）、その細胞体は “ダイナミック” ならせん形態をとることができる。つまり、あるときは右巻きらせん、またあるとき. 胞先端に現れ、ひとたびキンクが発生すると、末端に到達. は左巻きらせんの細胞形態をもち、これらが交互に入れ替. するまで受動的に伝搬するのだろう。これは、べん毛の多. わることで推進する。このとき、キンクと呼ばれるらせん. 型変換を彷彿とさせる 27, 28）。バクテリアべん毛は、変形に. の境界が細胞長軸を下って進むと、一方のらせん構造が強. より推進力が生まれているわけではない。一方、スピロプ. 制的に巻き戻されて一方向に回転し、もう一方は巻き取. ラズマは自身の細胞体の変形こそが、スクリューとしての. 19）. 。二つのら. 機能を担っている。この小さならせん状のバクテリアか. せん構造の二重回転は、同じ方向に推進力を生み出すこ. ら、全く新しい独創的な動きの仕組みを、私たち人間は知. とができるため、細胞は一方向的に推進できるのである. ることができる。. られて逆方向に回転してトルクを相殺する. （図 3）21, 22）。この独特のらせん形態は、先端のチップ構造 6．戦車のような仕組み. と、細胞の最内側線にまたがる細胞骨格繊維によって定義されており、繊維構造は Fibril タンパク質とアクチンホモログである MreB から構成されている 23）。遊泳中のらせ. 次は泳ぎ回る運動から少し離れて、二次元表面上の動き. ん逆転は、細胞骨格の構造変化によるキンクの形成で生じ. を紹介する。バクテリアの表面運動にはいくつもの仕組み. る可能性が高いが、これまでなぜキンクが伝搬するのかは. があるが、ここでは、バクテロイデス門の滑走運動に注目. わかっていなかった。. したい。これは、ガラスなどの固体表面にはりついて、は. ここで、我々は Spiroplasma eriocheiris. 24, 25）. りついたまま動く仕組みのことを指す 29）。細胞のふるまい. において、. キンクは純粋にメカニカルな仕組みで伝搬することを示し. は実に多様で、前後運動、反転・回転運動などの活発な. 26）. 。脱共役剤である CCCP を添加した際の細胞を観察. 動きを示し、踊っているようにも見える。この運動は、何. すると、運動性が停止しており、その形態は右巻きヘリッ. 十年も前に見つかっていたが、詳細なメカニズムは全く分. た. クスに固定されていた。ところが、さらに光照射により細. かっていなかった。ところが、2013 年に私たちは複雑に見. 胞へストレスを与えると、この優先的な形態が左巻きらせ. える上記の運動を説明する新しいモデルを提案した 30, 31）。. んへと変化した。この過程には生物学的モーターを介する. この動きの分子遺伝学は、Flavobacterium johnsoniae. エネルギー入力はない。けれど、そこにはキンクの発生お. でよく研究されており、これまでに十数種類にも及ぶ運. よび伝播が伴うのである。恐らく、細胞極に「ねじれ」形. 動関連タンパク質群が同定されている 29, 32）。しかし、ほと. 成を促進させる因子が存在しており、キンクは自発的に細. んどが機能未知であるため、形や動きに関する情報は乏し 12.

(4) Jpn. J. Lactic Acid Bact.. Vol. 31, No. 1. 7．光に応答するスパイダーマン. く、べん毛のような大きな運動装置は見つかっていなかった. 33, 34）. 。そこで、我々は接着因子として機能する巨大タン. パク質 SprB 35）の動態を可視化することで、動きの仕組み. バクテリアの表面運動の中には、スパイダーマンのよ. 30）. 。方法は単純で、抗体と蛍光色素を用. うな「糸」を伸縮させる仕組みも存在する。細胞表面から. いて接着因子を標識するだけである。ところが、いざ可視. 糸のような繊維構造を伸長し、表面へと付着させ、その. 化してみると、このタンパク質は驚いたことにベルトコン. 後、収縮する。この一連の過程を達成し、細胞が移動す. ベアのようにバクテリアの膜表面を流れるように動き回っ. るのである 39, 40）。これはちょうどスパイダーマンが糸を. ていたのである。その動きには規則性があり、左巻きらせ. 伸ばしたり、手繰り寄せたりするふるまいとよく似てい. んに沿って、細胞の長軸方向を極から極へと何度も往復す. る（図 5 上図）。IV 型線毛と呼ばれるこのシステムは、根. る様子が見て取れた（図 4）。これは、戦車などの駆動装置. 本にあるモーターが繊維を重合・脱重合させることで伸. であるキャタピラをイメージすると理解しやすい。キャタ. 縮を達成する実に動的な装置である 41）。しかし、その「動. ピラ自身は内部のモーターによって常に一定の速さで両方. き」をとらえることはこれまで容易ではなかった。しかし、. 向へ流れている。戦車が前進する際には下側のキャタピラ. 我々は Synechocystis sp. PCC6803 という単細胞性シアノ. は地面をしっかりとつかむが、上側のキャタピラは地面と. バクテリアに注目することで、「スパイダーマン」な瞬間. は離れているため見かけの速さに違いがでる。ただ、この. をとらえることに成功した 42）。. 小さな生命体のキャタピラは「らせん」であるため、逆平. その方法の 1 つ目は、アビジンによる線毛繊維の可視化. 行の流れが生じることになる。これにより、上記の複雑な. である。我々は、アビジンという分子が、この IV 型線毛. 動きの多様性を説明することができると期待しているが、. に特異的に結合することを発見しており、あらかじめアビ. 現時点では直接的な証拠はない。. ジンを蛍光標識しておくと、光学顕微鏡下で、化学固定し. この戦車の仕組みは、プロテオバクテリアの Myxococcus xanthus などでみられる Adventurous motility（A-motility）. た細胞の IV 型線毛を観察することが可能となる。それに. を明らかにした. より、細胞当たりの線毛の長さや本数を定量化できる。2. 36, 37）. 。もちろん、系統的には離れており、動. つ目は、微小ビーズを介した線毛の動態計測である。ガ. きに関連する遺伝子群も全く異なるが、同じように細胞全体. ラス表面で固定化された細胞に対して直径 200 nm の微小. に配置された「らせん」が推進力発生に重要であると考えら. なビーズを加えると、ビーズが線毛の先端に付着し、細胞. れている 38）。この収斂進化の過程の中に、遺伝子やアミノ. に向かって、または細胞から離れるような動きを示すの. を彷彿とさせる. 酸に帰着しない、「動き」の本質が隠されているのかもしれ. である。これは IV 型線毛の伸長と収縮によるものである（図 5 下図）。この方法は他種にも適応することが可能であ. ない。. り、かつ、変異株作成の必要がないため、今後の IV 型線毛の動的制御に踏み込む新しいアプローチになると期待される 43）。. 図 4．フラボバクテリアの滑走運動上：模式図。中：蛍光標識した接着因子の局在。下：接着因子のキモグラフ。規則的に動いていることがわかる。. 図 5．IV 型線毛による表面運動上：模式図。下左：ビーズによる動態可視化の模式図。下右：ビーズの軌跡。細胞は右側に走光性を示す条件で撮影。. 13.

(5) Vol. 31, No. 1 . Japanese Journal of Lactic Acid Bacteria. このとき、シアノバクテリアの IV 型線毛は光によって. ている 58, 59, 60, 61）。その上、本総説で上述した「アーキアべ. 制御可能である。ひとたび光を照射すると、細胞は光に向. ん毛」も広義にはこのカテゴリに含まれる。このような原. かって、または離れるように動く、走光性という応答が知. 核生物に広くみられる分子機械とその制御の仕組みが解明. られている. 44, 45, 46）. 。バクテリアには「目」のような細胞内. されれば、この分野の大きなブレイクスルーとなることが. 小器官はない。しかし、細胞の大きさと屈折率の大きさによって、細胞周辺に光の強度差が生じるのである. 期待される。. 42, 47）. 。す 8．おわりに . なわち、細胞の形状自体が目のような役割を持つ。細胞がこの強度差を空間情報として感知することで、IV 型線毛を非対称に制御し、指向性のある動きを達成している。横. 本総説では、我々の成果とともに、小さな生命体の「動. から光を照射したとき、先ほどのビーズの実験系で細胞を. き」について紹介した。乳酸菌の研究をされる読者の中. 観察すると、見事に片側の IV 型線毛だけが活性化されて. には、奇天烈な仕組みに驚かれた方もいるかもしれない。. いたのである. 42, 48）. 。. IV 型線毛のダイナミクスは、近年、様々なアプローチ. 本総説では述べなかったが、寄生性のバクテリアである Mycoplasma mobile や Mycoplasma pneumoniae の動き. で可視化されつつあり、我々の研究もその 1 つであるとい. の研究についても筆者らは取り組んでいる（これは別の総. える 49, 50, 51）。だが、単純な可視化だけでは、解明できない. 説を参照されたい）62, 63, 64, 65, 66）。このような「動き」の中に. 難しさもある。ひとたび線毛の先端で付着が生じると、そ. は、未だ手つかずの研究材料も残っており、まだまだ発展. の情報が繊維を介して、細胞に伝わると考えられている。. 途上の研究領域だと言える。. このメカニカルな制御は十分には理解されていないが、そ. 病気の仕組み、有用物質の生産、集団形成、これまでの. こに仕組みの本質があると期待している 52, 53, 54）。また、IV. 微生物の研究はそれぞれに素晴らしい歴史がある。しか. 型線毛が担う生命現象は実に多様であり、DNA の取り込. し、レーウェンフックがそうであったように、「動き」の. み、タンパク質分泌、付着・凝集といった仕組みが同一の. 中には生命の本質を感じるような、人々を魅了するような. 進化的起源をもつ 55）。緑膿菌、コレラ菌、淋菌といった. 何かがある。たまには 350 年前に思いをはせながら顕微鏡. グラム陰性の病原細菌だけでなく 56, 57）、放線菌やクロスト. をのぞいてみると、そこには予期せぬ新しい世界が広がっ. リジウムといった陽性菌にさえも、同様の装置は見つかっ. ている。. 参考文献 1） Berg HC. (2003) The rotary motor of bacterial flagella. Ann Rev Biochem 72: 19-54. 2） Jarrell KF and McBride MJ. (2008) The surprisingly diverse ways that prokaryotes move. Nat Rev Microbiol 6: 466-476. 3） Miyata M, Robinson RC, Uyeda TQP, Fukumori Y, Fukushima S-i, et al. (2020) Tree of motility – A proposed history of motility systems in the tree of life. Genes to Cells 25: 6-21. 4） Kinosita Y, Kikuchi Y, Mikami N, Nakane D and Nishizaka T. (2018) Unforeseen swimming and gliding mode of an insect gut symbiont, Burkholderia sp. RPE64, with wrapping of the flagella around its cell body. ISME J 12: 838-848. 5） Raina J-B, Fernandez V, Lambert B, Stocker R and Seymour JR. (2019) The role of microbial motility and chemotaxis in symbiosis. Nat Rev Microbiol 17: 284-294. 6） Kühn MJ, Schmidt FK, Eckhardt B and Thormann KM. (2017) Bacteria exploit a polymorphic instability of the flagellar filament to escape from traps. Proc Natl Acad Sci U S A 114: 6340-6345. 7） Constantino MA, Jabbarzadeh M, Fu HC, Shen Z, Fox JG, et al. (2018) Bipolar lophotrichous Helicobacter suis combine extended and wrapped flagella bundles to exhibit multiple modes of motility. Sci Rep 8: 14415. 8） Hintsche M, Waljor V, Großmann R, Kühn MJ, Thormann KM, et al. (2017) A polar bundle of flagella can drive bacterial swimming by pushing, pulling, or coiling around the cell body. Sci Rep 7: 16771. 9） Cohen EJ, Nakane D, Kabata Y, Hendrixson DR, Nishizaka T, et al. (2019) Campylobacter jejuni motility integrates specialized cell shape, flagellar filament, and motor, to. coordinate action of its opposed flagella in viscous media. bioRxiv 2019.2012.2026.888701. 10） Daum B, Vonck J, Bellack A, Chaudhury P, Reichelt R, et al. (2017) Structure and in situ organisation of the Pyrococcus furiosus archaellum machinery. eLife 6: e27470. 11） A lbers S-V and Jarrell KF. (2018) The Archaellum: an update on the unique archaeal motility structure. Trends Microbiol 26: 351-362. 12） Kinosita Y, Uchida N, Nakane D and Nishizaka T. (2016) Direct observation of rotation and steps of the archaellum in the swimming halophilic archaeon Halobacterium salinarum . Nat Microbiol 1: 16148. 13） Streif S, Staudinger WF, Marwan W and Oesterhelt D. (2008) Flagellar rotation in the archaeon Halobacterium salinarum depends on ATP. J Mol Biol 384: 1-8. 14） Reindl S, Ghosh A, Williams GJ, Lassak K, Neiner T, et al. (2013) Insights into FlaI functions in archaeal motor assembly and motility from structures, conformations, and genetics. Molecular cell 49: 1069-1082. 15） Iwata S, Kinosita Y, Uchida N, Nakane D and Nishizaka T. (2019) Motor torque measurement of Halobacterium salinarum archaellar suggests a general model for ATPdriven rotary motors. Commun Biol 2: 199. 16） W ilde A and Mullineaux CW. (2017) Light-controlled motility in prokaryotes and the problem of directional light perception. FEMS Microbiol Rev 41: 900-922. 17） Quax TEF, Altegoer F, Rossi F, Li Z, Rodriguez-Franco M, et al. (2018) Structure and function of the archaeal response regulator CheY. Proc Natl Acad Sci U S A 115: E1259-E1268. 18） W aterbury JB, Willey JM, Franks DG, Valios FW and. 14 .

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