高速原子間力顕微鏡による細菌表層イメージング

分子レベルで視る生きた細菌表層

単細胞生物である細菌にとって、その表層は生命と外界を直接隔てる境界です。その形成の仕組みや機能、特性を理解することは、生命維持機構の理解や、その応用研究のために重要です。具体的には、細菌の表層は、外界から物理的侵襲や他の生物やウイルス等の攻撃から生命を守る防波堤、必要な分子を取り込み不要な分子を廃棄する物質交換の場であり、なおかつ他の細菌や宿主細胞との情報伝達を行うためのインターフェイスとしても働くなど、生命活動を維持するための多様な生命現象の場です。微生物学の教科書には、細菌表層の構造が、外膜蛋白質やリポ多糖などの分子とともに図示されているが、実際に生きた細菌表層で起こる動的な生命現象を分子レベルの分解能で観察した研究はほとんど報告されていません。

そこで、私たちは金沢大学ナノ生命科学研究所で開発された高速原子間力顕微鏡（高速AFM）を用いて、ナノ生命科学研究所の先生方との共同研究により、細菌の表層で起こる様々な生命現象の観察・解析を行っています。高速AFMは、培養液などの生理的環境中で生体分子の構造動態や局所の物性とその変化を、ナノメートルの空間分解能とサブ秒の時間分解能で、ダイナミックに観察することができます。

その結果、私たちは、磁性細菌が内膜上に合成する細菌オルガネラ「マグネトソーム」の形成機構解明を目指した研究において、マグネトソーム局在蛋白質MamAの観察とその機能を明らかにしました。（Yamamoto and Taoka et al. PNAS 107:9382-9387, 2010）。また、生きた細菌の外膜表面を観察し、磁性細菌の外膜蛋白質が動的なクラスター状構造を形成することを示しました（Yamashita and Taoka et al. JMB, 422:300-309, 2012）。これは、生きた細菌の表層蛋白質の構造動態の直接観察に初めて成功したものです。他のProteobacteria門の細菌でも同様の外膜構造を観察した（Oestreicher and Taoka et at. Micron, 72:8-14, 2015）。さらに、高速AFMの位相像を用いて、細胞外膜小胞一粒子の定量的物性解析法を開発し、細菌が細胞間コミュニケーションのために放出する膜小胞に物性多様性があることや種特異性があることを明らかにしました（Kikuchi et al., Nanoscale 12;7950-7959, 2020）。現在は、膜小胞がどのようにして細胞表層への結合し、情報伝達を行う仕組みの解明を目指した研究を行っています。

細菌表層イメージングに関する研究成果