運動マシナリーの多様性から見えるもの（後編）

ガス小胞が付与する微生物の垂直運動マシナリー
田代

はじめに

ガス小胞形成微生物

多くの原核生物は環境に適応するために，べん毛を用
1–4)

陽介

5–7)

ガス小胞の存在はすでに 19 世紀にシアノバクテリのよアなどの細菌で見つかっており，100 年以上にわたりうなエネルギーを直接消費して移動する運動能を発達さ光合成細菌と好塩性アーキアを中心にその研究が行わせてきた．一方，一部の微生物はエネルギーを直接利用

れ て き た 9–13)． 一 方， 従 属 栄 養 細 菌 で は 1970 年 代 にせずに移動する機能を身につけており，その代表例とし

Ancylobacter aquaticus でガス小胞形成が確認されていてガス小胞（JDVYHVLFOHV）を利用した垂直運動が挙げらたものの 14)，その遺伝子解析は行われていなかった．近れる．ガス小胞とは，いくつかのバクテリアあるいはアー年のゲノム解析により，さまざまな微生物でガス小胞形キアが細胞内に形成するガス封入型構造体であり，前稿成をコードする遺伝子群が見つかっている．その遺伝子8)で紹介したマグネトソーム と同様に原核細胞のオルガ群は図 2 の各門に属するバクテリアやアーキアに分布

ネラとして知られている．1– 数 ȝP サイズの原核細胞のしており，それぞれの門では特有の遺伝子クラスター

いた遊泳運動や線毛などを利用した滑走運動中に，幅 ±QP，長さ ±QP 程度のガス小胞構造が存在している．従属栄養細菌では，土壌細菌でが存在している（図 1）9)．ガス小胞の外殻はリン脂質である Bacillus megaterium でもガス小胞形成が確認されはなく疎水性のタンパク質で構成されており，厚さは約て い る 15)． 一 方， ガ ス 小 胞 形 成 遺 伝 子 ク ラ ス タ ー は

QPと薄い膜となっている．この膜はガス透過性であり，Streptomyces 属や Rhodococcus 属細菌にも保存されて細胞質内に溶解している気体が透過され小胞内に蓄積さいるが，ガス小胞形成自体は未だ確認されておらず，これる．この膜を透過できる気体として，H2，N2，O2，CO2，CO，CH4 ならびに Ar などが知られている 9)．これまでに，光合成を行うシアノバクテリアや，ロドプシンを合成するハロアーキアで，ガス小胞による浮力向上が確認されてきた 9)．しかし近年，筆者らを含めた研究により，Ȗ- プロテオバクテリアである SerratiaVS$7&&

39006 株が形成するガス小胞は，上記の微生物が形成する小胞とは異なる特徴を有することが明らかになってきた 10–12)．本稿では，ガス小胞の多様性と SerratiaVS における形成機構を述べるとともに，特徴的な構造をしたガス小胞の生物工学的利用について紹介する．

図 1．SerratiaVS$7&& 株の透過電子顕微鏡写真．細胞内に蓄積されているのがガス小胞．バーは QP を示す．

図 2．微生物におけるガス小胞形成遺伝子クラスターの代表例．
gvp 遺伝子を黒で，gvr 遺伝子を白で示す．

著者紹介

静岡大学工学領域化学バイオ工学系列（講師） (PDLOWDVKLUR\RVXNH#VKL]XRNDDFMS

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特集の遺伝子群が放線菌に存在する意義は不明である 16)．近は炭素飢餓に関与するさまざまな遺伝子の転写を制御す

年，ガス小胞形成が確認された Serratia VS のクラスター

ることが知られている 17)．べん毛運動は三次元の遊泳をは既知のガス小胞遺伝子クラスターに比べて長く，機能可能にするものの，移動の際にはモーターの回転にエネ未知の遺伝子を多く含んでいる．プロテオバクテリア門

ルギーが絶えず必要であることから，本菌は周囲の栄養に属する他の細菌でもそれらのオーソログが存在してお状態を認識して，ガス小胞形成を介した垂直運動とべんり，類似のガス小胞形成機構を有している可能性が考え毛運動とを使い分けていると考えられる．

られる．

ガス小胞の形成機構
外部環境を認識したガス小胞形成制御

前述の通り，Serratia VS は他の微生物より多くのガSerratia VS は外部環境を認識してガス小胞形成を調ス小胞形成関連遺伝子を保有しており，その大半が機能節する機構を有している 10)．特に低酸素条件でガス小胞未知の遺伝子である．筆者らは，各遺伝子の LQIUDPH 欠形成が促進されることから，ガス小胞形成は酸素濃度の損株を作製してガス小胞形成能を評価することで，ガス高い気液界面に移行するための運動機能として機能して小胞形成機構の解明を目指した 11)．その結果，19 の遺いると考えられる．

伝子のうち，gvpA1，gvpA2，gvpA3，gvpF1，gvpF2，

また Serratia VS は，アシル化ホモセリンラクトンのオラムセンシング機構を有しており，菌体が一定の密度gvpF3，gvpG，gvpK，さらには gvrA，gvrB がガス小胞形成に必須であることが示された．*YS$ は他のガス小胞形成微生物の *YS$ と相同性がもっとも高く，ガス小に達した際に植物感染に必要な病原因子などを含めたさ胞の主要タンパク質と考えられる．また，ハロアーキア

まざまな形質を発揮する．本菌においては，ガス小胞形のガス小胞解析の報告をふまえると 13)，*YS$ に加え成もクオラムセンシングにより正に制御されている 10)．て，*YS$，*YS$ と 3 種類の *YS) がガス小胞の構

ストークスの式に基づくと，細菌が凝集した際に垂直運成成分であり，*YS* ならびに *YS. がガス小胞のアッ一種である NEXWDQR\OLKRPRVHULQHODFWRQH を介したク9)動の速度は上昇する ．そのため，クオラムセンシング

センブリーに関与していると考えられる．*YS& はシアによるガス小胞形成促進は，効率的な垂直運動に寄与す

ノバクテリアやハロアーキアの研究によりガス小胞の表ると考えられる．

層構成因子であり，構造安定性に関与することが知られSerratia VS は運動様式としてガス小胞以外にべん毛ている 13)．本菌のガス小胞形成に *YS& は必須でないもも有している．他のガス小胞形成微生物を見てみると，のの，欠損させると細胞の極部にガス小胞が確認された

シアノバクテリアはべん毛を持っておらず，ハロアーキ（図 4）．また，gvpC 欠損株では野生株に比べて外部圧アはガス小胞を形成しながらべん毛運動も行っている．

力に対して不安定であったことから，本菌においてもSerratia VS は従来研究されてきたガス小胞形成微生物*YS& は小胞の安定性に関与していると考えられる．とは異なり，べん毛運動とガス小胞形成を使い分ける機能を有している．その二つの運動様式を切り替えているの が，VPDOO 51$ 結 合 タ ン パ ク 質 5VP$ で あ る 10)．

5VP$ 欠損によりガス小胞形成が阻害されるものの，べ（CsrA）ん毛運動は促進される（図 3）．大腸菌では，5VP$

図 3．SerratiaVS における 2 種の運動性の調節機構

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図 4．SerratiaVS 野生株ならびに欠損株における透過電子顕微
鏡写真図．バーは QP を示す．

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運動マシナリーの多様性から見えるもの（後編）gvpN あるいは gvpV の欠損株では，レモンの形状をした小型ガス小胞が形成された（図 4）．*YS1 は他のガス小物である *YS+，*YS)，*YS) が初めに合成され，ガ胞形成微生物にも存在しているが，その機能の詳細は明ス小胞構成成分である 3 種の *YS$ と *YS) が次に合成らかになっていない．また *YS9 はプロテオバクテリア

され，*YS* や *YS. によって小型ガス小胞が形成されにしか存在しておらず，その機能は未知である．本菌のる． そ の 後，*YS1 や *YS9 に よ り 小 胞 が 伸 長 し，デルは図 5 となる．まず，right gene cluster の遺伝子産結果から踏まえると，両因子はガス小胞の伸長に関わる*YS& が外殻を覆うことで圧力に安定なガス小胞が形成シャペロンとしての機能を果たしていると考えられる．

されると考えられる．

*YS+ はハロアーキアではガス小胞の構成タンパク質として示されているものの 13)，SerratiaVS では欠損株で顕著な変化が見られなかった．*YS:，*YS;，*YS<，*YS= に関しても欠損株では顕著な変化は見られず，そ優れ，免疫原性が高いことから，ワクチンへの利用が期

れらの機能は未知である．

待されている．ガス小胞の構成成分である *YS& は小胞

ガス小胞の生物工学的利用
ワクチン

ガス小胞は生体適合性があり，安定性に本菌は既知のガス小胞形成微生物と異なり，ガス小胞表層に局在するため，*YS& の C 末端に特定のエピトー形成制御因子 *YU$，*YU%，*YU& を保有する．*YU$ はプを含むように発現させる生物工学的技術が開発されて

ı54 依存的な NtrC ファミリーの転写制御因子，*YU% はNtrB ファミリーの転写制御因子であり，*YU& はべん毛の回転を制御する CheY と相同性が高い．gvrA あるいは gvrB の欠損株ではガス小胞形成が完全に見られなく，gvrC 欠損では顕著なガス小胞形成抑制が確認された．
いずれの欠損株においても gvpA1 の転写が抑制されてきた．特に高度好塩菌であるハロアーキアは，ガス小胞のペプチドをガス小胞表層に提示させ，マウスを用いたいたことから，これらはガス小胞を正に制御する転写因免疫反応のスクリーニングに利用している 18)．このよう子として機能している．本菌のガス小胞形成は gvpA1

な組換えガス小胞の利用は，簡便で安価に抗原性の評価から始まる left gene cluster と gvrA から始まる right geneを行うための新規手法として期待できる．

cluster に分けられ，それぞれは別々の転写ユニットとなっているが，*YU をコードする遺伝子はいずれも後者．gvpA1 の転写は定常期初期から開始に位置する（図 2）するのに対し，gvrA の転写は対数増殖期中期から発動することから，right gene cluster に位置する遺伝子産物がガス小胞の初期タンパク質であると考えられる．
以上のことから，Serratia 細菌のガス小胞形成推定モ形成遺伝子がプラスミドに存在するため遺伝子操作がしやすく，塩濃度が低い溶液で溶菌するためガス小胞の抽出が簡便であり，本菌のガス小胞はワクチン開発に非常に適している．'DV6DUPD らは，サル免疫不全ウィルス

ナノバブル

ガス小胞は外殻がタンパク質で構成された微小気泡であることから，安定なナノバブルとして新しい応用への展開が期待できる．6XQGDUDUDMDQ らは，動物細胞培養での酸素供給源としてガス小胞が有用であることを示した 19)．シアノバクテリアのガス小胞をグルタルアルデヒドで固定化し培養細胞に添加したところ，非添加条件に比べて最大で 30％の細胞のグルコース消図 5．Serratia VS におけるガス小胞形成の推定モデル．黒い楕円は推定ガス小胞構成因子，グレーの丸はその他の *YS タンパク質を示す．

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第96巻第5号（2018）255特集費の増加が見られた．一方，6KDSLUR らはガス小胞の音ナノ構造体として有望かもしれない．本菌のガス小胞形響特性に着目し，超音波造影剤として有用であることを成機構解明により，微生物運動機構の一端が紐解かれる

示した 20)．さらに同グループは，129Xe をガス小胞の中だけでなく，新たなナノバイオテクノロジーの進展につに封入させることにより，核磁気共鳴イメージングながることを期待したい．

（PDJQHWLFUHVRQDQFHLPDJLQJ05,）におけるプローブとしても有用であることを報告した 21)．これまでは 1Hが主に 05, のプローブとして使われてきたが，水や生体分子のバックグラウンドとの区別が困難であった．ガス小胞を用いた 129;H 05, はその欠点を克服し，生体深部の高解像度での可視化に大きく貢献すると考えられる．
おわりにガス小胞の遺伝子的ならびに生物物理学的解析は長年行われてきたものの，その形成機構には未解明な点が多いのが現状である．近年の急速なゲノム解析により，ガス小胞形成遺伝子はさまざまな微生物種に保存されていることが明らかになってきた．特に本稿で紹介した

Serratia VS は，シアノバクテリアやハロアーキアなど従来研究されてきたガス小胞形成微生物とは異なる特徴を持ち，より複雑な形成機構ならびに転写制御機構を有している．ガス小胞形成による垂直移動はエネルギーを直接消費しない運動形態であることから，本菌のように外部環境に応じてべん毛運動とガス小胞形成を使い分ける制御機構は，効率良く水圏を移動しニッチを獲得する微生物生存戦略に大きく寄与していると考えられる．
また，ガス小胞は生体親和性が高く安定性の高いナノバブルであることから，さまざまなナノバイオテクノロ
ジ ー へ の 応 用 の 可 能 性 を 秘 め て い る． 特 に Serratia

VS が形成するガス小胞は，他の微生物が形成するガス小胞に比べて多くのタンパク質から構成されており，複謝

辞本研究は，ケンブリッジ大学 *HRUJH 6DOPRQG 教授との成果であり，深く感謝いたします．本稿で紹介した内容の一部は，科学研究費新学術領域「運動超分子マシナリーが織りなす調和と多様性」（-3+）の支援を受けて達成されましたので，御礼を申し上げます．

文献1) 曽和義幸・笠井大司：生物工学，96  2) 伊藤政博：生物工学，96  3) 西山雅祥ら：生物工学，96  4) 中村修一：生物工学，96  5) 宮田真人：生物工学，96  6) 福島俊一・春田 伸：生物工学，96  7) 中根大介・西坂崇之：生物工学，96  8) 田岡 東・福森義宏：生物工学，96    :DOVE\$(Microbiol. Rev.58    5DPVD\ - 3 et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108    7DVKLUR<et al.: Environ. Microbiol.18    0RQVRQ5(et al.: Microbiology162    3IHLIHU)Nat. Rev. Microbiol.10    .RQRSND$(et al.: J. Bacteriol.122    /L1et al.: J. Bacteriol.180    YDQ.HXOHQ*et al.: Trends Microbiol.13    (GZDUGV$1et al.: Mol. Microbiol.80    'DV6DUPD6et al.: Vaccines3    6XQGDUDUDMDQ$et al.: Cytotechnology52    6KDSLUR0*et al.: Nat. Nanotechnol9    6KDSLUR0*et al.: Nat. Chem.6  

雑な構造と推察されることから，新たな機能を保持した

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