プレスリリース
2017 年 6 ⽉ 2 ⽇

報道関係各位
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⽇本時間 2017 年 6 ⽉ 6 ⽇（⽕）午前 4 時以降

スパイダーマンのように動く微⽣物
学習院⼤学理学部 ⻄坂崇之教授の研究グループ「⽶科学アカデミー紀要」にて掲載予定■概要■
学習院⼤学 理学部 ⻄坂崇之教授の研究グループは、「スパイダーマン」のように動く微⽣物の運動とその制御メカニズムを世界で初めて明らかにしました。
「バクテリア」は、もっとも単純な⽣命体の 1 つであり、⼤きさは 1 ミリの 1000 分の 1 程しかありません。ところが、動く仕組みに注⽬すると、実に多様で複雑な様式を発達させていることが知られています。同研究室中根⼤介助教らは、光合成微⽣物のラン藻が、細い⽷のような繊維状構造物を持ち、その伸⻑収縮を繰り返す様⼦を撮影することに成功しました。さらに、独⾃の光学顕微鏡を駆使することで、この⽣命体は、指向性のある光という外部シグナルによって、その運動を制御する能⼒を持つことを明らかにすることができました。
これは「視覚を備えたバクテリア」という点でも画期的です。光を感知するだけでなく、光の向きを認識するという事実は、単純な⽣命体が、⾼度な情報処理を達成していることをあらわしています。スパイダーマンのようなバクテリアは、⾮常に単純ではあるが初歩的な視覚を備えることで、⾃⾝の持つ「⽷」を伸縮させる⽅向を⾃由⾃在に制御していると考えられます（上図参照）。この成果は、同様の「⽷」を持つ病原菌の制御にも応⽤できる可能性があります。この研究内容は、「⽶国科学アカデミー紀要」において、原著論⽂として発表されます。

【報道関係者からの問い合せ先】
学校法⼈学習院 総合企画部広報課
担当：円⾕・松井・湯元

TEL: 03-5992-1008
FAX: 03-5992-9246
Email: koho-off@gakushuin.ac.jp
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プレスリリース■背景■「バクテリア」はもっとも単純な⽣命体の１つであり、⼤きさは 1ミリの 1000 分の 1 程しかありません。ところが、動く仕組みに注⽬すると、実に多様で複雑な様式を発達させていることが知られています。⼀般的なバクテリアは、「べん⽑」と呼ばれる繊維構造をイオンの流れを使って回転させることで⽔中を泳いでいます。べん⽑は、遺伝学、分⼦⽣物学、⽣物物理学などによって、その詳細が何⼗年にわたり調べられてきました。⼀⽅、べん⽑を持たないバクテリアについては運動する能⼒を持つことが知られていましたが、その詳細な仕組みはこれまで明らかになっていませんでした。
研究グループは、世界中で広く研究されているラン藻の⼀種のシネコシスティス（Synechocystis sp. PCC 6803）に注⽬しました(右図参照)。これまでの研究から、細胞の表⾯には、IV 型線⽑と呼ばれる「⽷」状の構造物が⽣えており、これは固体表⾯を運動するために重要な構造であることが知られていました。ところが、この⽷の細さはたった 8 ナノメートル（1 ミリの 10 万分の 1 程度）しかなく、この繊維がどのように運動に使われているのか、その動きを直接観察することは容易ではありませんでした。

Synechocystis sp. PCC 6803 の電⼦顕微鏡写真。丸い細胞表⾯から⽣えているたくさんの繊維が IV 型線⽑。下は拡⼤図。
繊維の細さは 8 nm。

■研究の成果■「⽷」の動きを⾒る

IV 型線⽑の機能を調べる最も単純な⽅法は、その動きを直接映像として捉えることです。しかし、線⽑は細く、通常の観察では⾒ることができません。学習院⼤学 ⻄坂研究室に在籍する中根⼤介助教は、この問題点を克服し、IV 型線⽑の光学顕微鏡下での可視化、および、動態計測に成功しました。
その⽅法はシンプルで、微⼩なビーズを⽬印として線⽑に付着させることで、その動きを検出する、というものです。ビーズは線⽑よりも厚みがあり、明るく光るため、その動きを検出することができます。これにより、細胞が⾃⾝の線⽑繊維の伸⻑・収縮を繰り返す様⼦を撮影することに成功しました（右図参照）。これは、ちょうど「スパイダーマン」が「⽷」を伸ばしたり、⼿繰り寄せたりする様⼦とよく似ています。⾃⾝の体⻑の数倍程度のテリトリーの中で、1 分間に 10 本程度の⽷を毎秒0.3-0.8 ミクロンの速さで伸縮していました。
2線⽑の動態計測。上は模式図。⾚は伸⻑、⻘は収縮をあらわしている。

プレスリリース「⽷」を可視化する

さらに、研究グループは⽷を光学顕微鏡下で直接観察する⽅法も構築しました。偶然にも、アビジンという⽣物⼯学⽤途で汎⽤されるタンパク質が、IV 型線⽑に特異的に結合することを発⾒しました。そこで、蛍光⾊素で標識したアビジンを⽤いることで、線⽑ 1 本 1本を画像化することができました（右図参照）。
線⽑の⻑さや、本数は、電⼦顕微鏡観察の結果や、動態計測の結果とも⼀致していました。
「⽷」を光で制御する線⽑の蛍光顕微鏡像。左は通常の観察法。右はあたらしい標識法。同⼀の細胞を⾒ている。

以前から、細胞は光に対して応答することが知られていました。そこで、研究グループは、細胞の横⽅向から⻘⾊光を照射する実験システムを構築し、「⽷」がどのようにふるまうかを検証しました。得られた結果は明らかで、太陽の直射⽇光程度の光強度に応答して、「⽷」の伸縮⽅向を光で制御することができました（右図参照）。つまり、画像の左側から強い⻘⾊光をあてると、細胞は光源から逃げるように、右側に IV 型線⽑伸ばして、伸縮を活性化させます。これは「光の向き」を検出して、その情報を「⽷」に伝達し、⾃⾝の動きを制御する、という細胞の意思決定過程であるようにもみえます。

線⽑伸縮の光制御。上は模式図。左下は線⽑の動態計測。右下は線⽑の蛍光標識像。

■今後の展望■「⽷」の伸縮による運動様式

⼀般的なバクテリ

アの運動様式、つまり、べん⽑の回転とは対照的に、IV 型線⽑はその「伸縮」で運動します（右図参照）。
今回の研究は、線⽑の動態と光による⼀連の制御過程を光学顕微鏡によるイメージングで直接明らかにした初めての例と⾔えます。伸縮による運動様式は、緑膿菌や淋菌では、病原性と関わりがあることが知られていますが、いずれもべん⽑のそれと⽐べて、その理解は⼗分とは⾔えませんでした。加えて、「⽷」の伸縮を直接観察した例はほとんどありませんでした。今回、IV 型線⽑やそのシグナル応答の運動様式の模式図。左上は⼀般的なバクテリア
べん⽑による回転。左下は IV 型線⽑による「⽷」の伸縮。右側は伸縮より達成される細胞の⼀⽅向的な運動の模式図。

動態計測により、普遍的なメカニズムの⼿がかりを得ることができるかもしれません。
3プレスリリース
視覚を備えたバクテリア

⼀般的に光の⽅向を認識する

⽣物は真核⽣物であるため、バクテリアと⽐べて⾼等で、その体⻑は何倍もの⼤きさになります（右図参照）。加えて、⽬のような器官をもっており、光を遮蔽することも可能になります。⼀⽅、バクテリアは、光の波⻑程度の⼤きさであり、⽬のような構造物は存在しません。本研究では、このような単純な⽣命体であっても⾼度な情報処理が可能であることを「⽷」を可視化することで直接的に証明しました。ただし、光の向き認識に要する時間ははるかに遅く「1分」もの時間を必要とします。これはバクテリアの光の向光の向きを認識する微⽣物。左：クラミドモナス。真ん中：ミドリムシ。右：シネコシスティス。

き認識は、真核⽣物のそれとは本質的には異なることをあらわしているのかもしません。
⽷の制御とその応⽤

このような「⽷」の伸縮を制御する装置は、実は⼩さな⽣物に広く⾒られることが知られています。緑膿菌や淋菌といった病原細菌では「⽷」を使って宿主細胞の表⾯を認識すると考えられており、「⽷」を⽋損させるとその病原性が低下します。また、コレラ菌の病原毒素の分泌には「⽷」の伸縮装置と遺伝的に類似した構造体を通して、細胞外への輸送が達成されています。
「⽷」の伸縮の仕組みとその制御メカニズムを明らかにしたという成果は、このような装置をもつ病原性細菌の理解やその制御といった医⻭薬学分野での応⽤にもつながる可能性があります。
⽷の伸縮とその役割

なぜ、⼀部のバクテリアは、「⽷」の伸縮で動く仕組みを発達させたのでしょうか？⼀般的なべん⽑運動の速さを「ジョギング」くらいだと考えると、⽷の伸縮による動きは「ほふく前進」くらいの速さしか達成できません。これは、この仕組みは、単に運動の装置というだけでなく、それ以外の機能があることを⽰唆しているのかもしれません。今回、IV 型線⽑の可視化に関わる⼀連の研究基盤が構築できたことで、「⽷」の制御や役割について、新たな研究アプロー
チを展開させることができるかもしれません。IV 型線⽑の研究は、今まさに、始まったばかりです。

論⽂情報
著者名： Daisuke Nakane, Takayuki Nishizaka
論⽂名： Asymmetric distribution of type IV pili triggered by directional light in unicellular cyanobacteria
雑誌名： Proceedings of the National Academy of Sciences4