大型放射光施設 SPring-8

公開日

2015年07月31日

2015年7月31日
国立大学法人 京都大学
学校法人常翔学園 摂南大学

２．研究手法・成果
　グラム陰性細菌であるA1株は、細胞表層に形成する大きな孔（「 体腔 （ たいこう ） 」と呼び、 口 （ くち ） に相当します）、およびペリプラズムに局在するアルギン酸結合タンパク質（AlgQ1とAlgQ2）と細胞質膜に埋もれている輸送体［ATP結合カセット（ABC）トランスポーター（四量体AlgM1-AlgM2/AlgS-AlgS）］により、アルギン酸を細胞の中に取り込みます（図2左）。つまり、結合タンパク質が 体腔 （ たいこう ） に濃縮されたアルギン酸を受け取り、これをABCトランスポーターに渡します。アルギン酸は、ABCトランスポーターの内部（内腔）を通って細胞の中（細胞質）に入ります。
　そこで、本研究では、アルギン酸存在下で、結合タンパク質（AlgQ2）とABCトランスポーターが会合して形成する複合体の結晶を調製し、その立体構造をSPring-8のBL38B1, 41XU, 44XUを用いたX線結晶構造解析により決定しました（図2右）。その結果、これまでのABCトランスポーターには見られない特徴的な構造を見出すに至りました。具体的には、結合タンパク質とABCトランスポーターとの界面に長いトンネル構造が認められ、その先端には結合タンパク質に捕捉されたアルギン酸が見出されます（図3左）。つまり、長鎖の巨大分子（多糖類）であるアルギン酸が、このトンネル構造を介して輸送される新規な機構を明らかにしました。さらに、ABCトランスポーターの内腔には、電荷を帯びたアミノ酸残基が配置されており（図3右）、これらの残基が酸性高分子であるアルギン酸の輸送に重要であることも明らかにしました。
　つまり、本研究では、巨大分子（多糖類）の取り込みに関わる輸送装置（巨大分子輸送ABCトランスポーター）の新規な立体構造とそれにより巨大分子が細胞内に取り込まれる機構を明らかにしました。

３．学術的意義と波及効果
　様々な物質の輸送に関わるABCトランスポーターの立体構造の解明は、生物学上極めて重要ですが、従来、その研究は低分子物質の輸送に関わる極少数のABCトランスポーターに限定されていました。その理由として、ABCトランスポーターは膜タンパク質を含み、且つ数種類のタンパク質から成る複雑な構造をしているため、結晶の調製やその立体構造の決定が困難であることがあげられます。今回、そうした困難を克服し、かつ従来のような低分子物質ではなく、巨大分子（多糖類）の輸送に関わるABCトランスポーターの立体構造を世界で初めて決定しました。この成果は、ABCトランスポーターの物質輸送における理解を格段に進展せしめる大きな学術的意義をもつと考えられます。
　本研究成果の応用的、社会的効果も見逃せません。海洋バイオマスの利活用の観点から、既に細菌A1株を用いたアルギン酸からのバイオエタノールの生産に成功しています（Energy & Environ. Sci., 2011）。今回、アルギン酸輸送ABCトランスポーターの構造を決定したことにより、その輸送機能の強化と制御が可能となり、海洋バイオマスからのバイオ燃料生産性の向上が期待されます。また、細菌A1株がもつ輸送系（ 体腔 （ たいこう ） とABCトランスポーター）を他の有用微生物に移植（器官移植と呼び、ヒトの臓器移植に相当します）することが可能なため、様々な環境有害物質などを強力に分解する「スーパー細菌」の創生も現実味を帯びて来ます（図4）。実際、この器官移植法により、世界最強のダイオキシン分解細菌の育種にも成功しています（Nature Biotechnology, 2006）。

４．今後の予定
　今回、巨大分子（アルギン酸）がABCトランスポーターによって輸送される最初の段階を世界で初めて明らかにしました。今後は、巨大分子がABCトランスポーターの中をどのように通過して行くか、より詳細な機構を明らかにする予定です。また、 口 （ くち ） （ 体腔 （ たいこう ） ）を他の細菌に移植することにより、大規模な細胞機能改変を行い、様々な物質を強力に分解する微生物を創る研究を進めます。

参考図

＜用語解説＞
アルギン酸：
　褐藻類が産生する細胞間粘質物質。グルロン酸Gとマンヌロン酸Mからなるヘテロ多糖。

グラム陰性細菌：
　細胞表層に二枚の膜構造をもち、その間にペリプラズム空間がある細菌。

ABCトランスポーター：
　ATPの加水分解により生じるエネルギーを用いて物質を輸送する分子装置。

器官移植：
　細胞の構造体や組織をそのまま他の細胞に移す技術。ヒトの臓器移植に相当する。

＜お願い＞
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