特集

細菌の磁気感応運動のためのオルガネラ「マグネトソーム」
田岡

東 1*・福森義宏 2

磁性細菌の磁気感応運動

磁性細菌の多様性

原核細胞である細菌は，特殊な細胞内構造を有するこ磁性細菌は，身近な水環境に遍在する細菌である．柄とで，他の生物がもたないエネルギー生産方法や物質代

杓などを用いて池などの底泥を表面から FP ほどの深謝経路を獲得したり，特殊な細胞運動を可能にしたりとさ（微好気的環境）で採集し，採集した泥水をガラス瓶彼らの生存戦略に役立てている．たとえば，二酸化炭素にいれ，S 極を向けた磁石を瓶の側面に付けて，静置し1)の固定を行うカルボキシソーム ，細胞の浮力を調節す2)3)ておくと磁石に磁性細菌が集まってくる．磁石を貼り付るガス小胞 （本特集の田代の稿を参照 ），嫌気的アンけてから数時間後に，磁石の付近の水をピペットで集めモニア酸化を行うアナモックス細菌のアナモキソソーて顕微鏡観察するとさまざまな形態の磁性細菌が観察ム 4) など，多様な細胞内構造を有する細菌が知られていできる．筆者らが実際に撮影した磁性細菌の動画をイる．近年では，これらの細胞内構造は，原核細胞オルガンターネット（<RX7XEH）に公開している 8)．磁性細菌

ネラと呼ばれている 5)．マグネトソームは，磁性細菌がは系統的，形態的に多様な細菌群であり，これまでにもつ原核細胞オルガネラで，地磁気を感知するための磁気センサーの役割を果たす．磁性細菌は，池や川，海な3URWHREDFWHULD 門 の $OSKD，*DPPD， お よ び 'HOWD
SURWHREDFWHULD 綱，1LWURVSLUDH 門，OP3 門に確認されてどの水環境の底泥内などの微好気的（酸素濃度が 1 〜 5％いる 9)．磁性細菌に共通する特性は，細胞内に直鎖状に程度）な環境に生育するグラム陰性細菌であり，マグネ配置したマグネトソーム（図 2）をもつことであり，マトソームを用いて細胞を地磁気の方向に配向させ，べん

グネトソームには，大きさ ±QP ほどの単磁区構毛を用いて地磁気に沿って遊泳する走磁性運動を行う造をもつ磁気微粒子［磁鉄鉱（Fe3O4）またはグレイジャ（磁性細菌の詳細については総説

を参考にされたい）．

地磁気は鉛直方向に傾いているため，磁性細菌は走磁性により遊泳方向を鉛直方向に固定でき，これにより生育に適した微好気的環境を効率よく見いだすことに役立てていると考えられている（図 1）．すなわち北半球では，好気的環境にいる細胞は S 極を目指し，嫌気的環境にいる細胞は N 極を目指して直線的に移動することで，効率的に微好気的環境に移動できる．

イト（Fe3S4）の結晶］が含まれる．

1975 年に米国の微生物研究者 %ODNHPRUH によって磁性細菌が発見されて以来 10)，約 40 年間で 20 種以上の磁性細菌が純粋培養された．たとえば，$OSKDSURWHREDFWHULD 綱のらせん菌のMagnetospirillum magnetotacticum MS-1，
M. magneticum AMB-1，M. gryphiswaldense 065，
球菌の Magnetococcus marinus MC-1 ，ビブリオ菌のMagnetovibrio blakemorei MV-1，*DPPDSURWHREDFWHULD
綱の桿菌 BW-2 株と SS-5 株，'HOWDSURWHREDFWHULD 綱のビブリオ菌 Desulfovibrio magneticus 56 などの磁性細菌が培養されている．このうち M. magneticum AMB111)（図 2）は，日本で単離培養されたもので，もっとも研究された磁性細菌の一つである．本細菌は，ゲノム配列が解読され，遺伝子欠損株の作製など分子生物学的手法が適応できることから，今日では磁性細菌研究のためのモデル生物として利用されている．
一 方， 多 細 胞 性 の 磁 性 細 菌 Ca.0DJQHWRJOREXVPXOWLFHOOXODULV や数百個のマグネトソームを細胞内にもつ 1LWURVSLUDH 門の磁性細菌など興味深い性質をもつものの，培養方法の確立されていない磁性細菌が多数知ら
図 1．走磁性の模式図* 著者紹介248

12れている 9)．筆者らは，*DPPDSURWHREDFWHULD 綱に分類

金沢大学理工研究域生命理工学系（准教授） (PDLOD]WDRND#VWDIINDQD]DZDXDFMS
金沢大学理事（副学長）

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運動マシナリーの多様性から見えるもの（後編）される大型の磁性細菌 *56 を石川県金沢市内の淡水ることを明らかにした 14)．その後，1996 年に，2NXGD池から単離した（図 2）12)．*56 は，細胞の長さが平均らが世界で初めてマグネトソームに豊富に含まれるタで 13 ȝP，幅が 8 ȝP ある，既知の磁性細菌では最大のンパク質の一つである 0DP（現在は 0DP$ と呼ばれ桿菌で，細胞の体積は大腸菌の約 800 倍もある．数百個る）の遺伝子配列を決定した 15)．2004 年には，*UQEHUJ以上の磁鉄鉱結晶からなる長いマグネトソーム鎖とカルらがプロテオーム解析により 30 種類以上のマグネトシウムを蓄えた顆粒を有する．細胞極で数本のべん毛をソームタンパク質を同定し，その遺伝子を調べたとこ束ね，これを用いて走磁性運動を行っている（<RX7XEHろ，ゲノム中のマグネトソームアイランドと呼ばれる領動画13)を参照）．観察が容易かつ大量の磁気微粒子を合域にオペロンを形成し，まとまってコードされているこ成する *56 を純粋培養できれば，走磁性や磁気感応とを発見した（図 3）16)．興味深いことに，マグネトソー機構の解明への貢献が期待されるが現在のところ純粋培

ムアイランドは，ゲノム配列が解読された 13 種類の磁養には至っていない．

性細菌ゲノムのすべてに見つかっており，少なくともマグネトソームタンパク質

3URWHREDFWHULD 門と 1LWURVSLUDH 門の磁性細菌に共通して保存されている 9)．マグネトソームアイランドの起源に1988 年 *RUE\ らは，マグネトソームがリン脂質膜小ついては，遺伝子水平伝搬により獲得されたという説と胞に覆われており，そこに特異的なタンパク質が局在す共通祖先が磁性細菌であったという説が提唱されており，現在も議論が続いている  ．2010 年に Murat らは，マグネトソームアイランドに存在する遺伝子群の欠損株を網羅的に作製し，それらの表現型を解析したところ，もっとも大きなオペロンである mamAB オペロンがマグネトソームの形成に必須であることを示した 19)．mamAB
オペロン内の9つの遺伝子（mamABEIKMOPQ）
は，ゲノム配列が解読されたすべての磁性細菌に保存されている 20)．このことから，これら 9 つの遺伝子にコードされるタンパク質がマグネトソーム形成において重要な機能を担うと考えられる．筆者らは，これらのマグネトソームタンパク質の機能に関する研究を行っている．
本稿では，このうち 0DP$，0DP3，0DP. についての研究成果を紹介する．
マグネトソームを覆う TPR タンパク質 MamA

2001 年，2NXGD と )XNXPRUL は，0DP$ の ア ミ ノ 酸
配 列 か ら， こ の タ ン パ ク 質 が 735（WHWUDWULFRSHSWLGHUHSHDW）モチーフをもつことを報告した 21)．735 モチー
フとは，34 アミノ酸残基からなるタンパク質 – タンパク
図 2．磁性細菌 M. magneticum AMB-1（A），*56（B）の透過型電子顕微鏡写真．直鎖状に配列した粒子状構造がマグ
ネトソーム（矢印）．
（C）*56 細胞内のマグネトソーム鎖の拡大写真．

質間相互作用を担う構造モチーフであり，二つの逆向き
平 行 の Į ヘ リ ッ ク ス で 構 成 さ れ る． ま た，0DP$ は0DP$ 自身と相互作用し，ホモオリゴマーを形成する可図 3．M. magneticum AMB-1 のマグネトソームアイランドの模式図．マグネトソームタンパク質は 4 つのオペロン（mamDC，mms6
mamAB，および mamXY）にコードされている．mamA，B，E，I，K，M，O，P，Q（黒塗りの遺伝子）は既知の磁性細菌ゲノムに保存されている．

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特集能性があることを報告した．その後 2004 年に，.RPHLOL

彼らは 0DP3 の鉄結合部位を同定し，in vitro で 0DP3

らは M. magneticum AMB-1 の mamA 遺伝子欠損株を作が鉄酸化活性をもつことを示した．

製し，欠損株では磁鉄鉱結晶の合成能が低下することを筆者らは，0DP3 の M. magneticum AMB-1 細胞内で示し，0DP$ がマグネトソーム形成に必要なタンパクの機能を明らかにするため，AMB-1 野生株にプラスミ質であると報告したが，0DP$ の具体的な機能はわかドから 0DP3 を大量発現させ，磁鉄鉱合成への影響をらなかった22)

調べた 28)．その結果，0DP3 大量発現株では，対数増．

一方，2006 年，筆者らは 0DP$ の細胞内局在を免疫殖期に磁鉄鉱結晶の数が野生株と比較して  倍に増加

電子顕微鏡法により調べ，0DP$ がマグネトソーム膜することがわかった．一方，静止期では 0DP3 大量発23)の外側（細胞質側）に局在することを明らかにした ．

現の影響は見られなかった．また，0DP3 が対数増殖

さらに 2010 年，筆者らは原子間力顕微鏡（AFM）を用期に特異的に発現するタンパク質であることを示した．

いて精製したマグネトソームを緩衝液中で観察し，そのこれらの結果は，0DP3 が磁鉄鉱の合成時期である対24)．AFM は，先端がナノサイズの細さ数増殖期に機能することを示している．さらに，ヘム cの探針を用いて水溶液中で試料表面を走査することで，を 結 合 で き な い 変 異 型 0DP3 を 大 量 発 現 さ せ る と，試料の表面形状を分子レベルの分解能で可視化し，生理的環境中でタンパク質などの生体分子の構造を観察する

mamP 欠 損 株 と 同 様 に， 小 さ な 磁 鉄 鉱 結 晶（ 平 均 16QP）を合成した．以上の結果から，0DP3 は，対数増ことができる．AFM での解析の結果，マグネトソーム殖期に発現するシトクロムであり，磁鉄鉱結晶の成長にが厚さ約 QP の有機層で覆われていること，0DP$ は必須のタンパク質であることがわかった．

構造を観察した

マグネトソームを包むこの有機層の構成分子であることをつきとめた．また，精製マグネトソーム標品と精製マグネトソームを配置する細胞骨格 MamK状構造の安定化に寄与するという仮説を提案した．その0DP. は，真核細胞の細胞骨格タンパク質であるアクチンと相同性をもつタンパク質である．2007 年，筆者らは 0DP. の細胞内局在を免疫染色で調べ，0DP.

後 2011 年，=H\WXQL らは 0DP$ の立体構造を X 線結晶が細胞両極にまで達する細胞長軸に沿った直線的な繊維構造解析により決定し，0DP$ 分子上にタンパク質相互状の構造を形成することを確認した．また，大腸菌で発作用部位が 3 か所あり，これらがマグネトソーム膜の外現，精製した単量体 0DP. を ATP-Ȗ-S 存在下で重合さ0DP$ タ ン パ ク 質 を 用 い た 再 構 成 実 験 の 結 果 か ら，
0DP$ がマグネトソーム膜を覆い，マグネトソームの鎖25)．

せたところ，アクチンと同様に繊維状構造に重合できる

2016 年に，1JX\HQ らは，in vitro 実験で，マグネトソー
ム膜タンパク質 0PV が 0DP$ と相互作用することを示し，0DP が 0DP$ をマグネトソーム上に固定することを確認した 29)．最近，/|ZH らが 0DP. 繊維の立体側でのタンパク質複合体形成を担うことを示唆したタンパク質である可能性を示した 25)．と類似した 2 重らせん構造をとることを報告した 30)．一方，2006 年，.RPHLOL らは M. magneticum AMB-1 の細磁鉄鉱合成に関わるヘムタンパク質 MamP
2+構造を，クライオ電子顕微鏡を用いて決定し，アクチン3+胞内構造をクライオ電子線トモグラフィにより可視化し，マグネトソームに ±QP の長さの繊維状構造磁鉄鉱（Fe3O4[FeO·Fe2O3@）は Fe と Fe の化合物が結合していることを報告した 31)．さらに，mamK 遺伝であり，その合成には鉄の酸化還元反応が必要である．

子欠損株を観察すると，細胞内に繊維状の構造物は見い

0DP3 は，ヘム c 結合モチーフを二つもち，電子伝達反応を担うことが予想される．mamP 遺伝子欠損株では，だされず，マグネトソームは形成されるが，それらは直細胞内の磁鉄鉱結晶の数が減少または小さな結晶を形ターに分かれ，細胞内に分散することを見いだした．彼

鎖状に配置されず数個のマグネトソームからなるクラス成することから，0DP3 が磁鉄鉱形成時の酸化還元反らはこれらの結果から，0DP. タンパク質が細胞骨格応を担うことが示唆された 19)．2013 年，6LSRQHQ らはを形成し，マグネトソームの直鎖状構造の足場となって0DP3 の立体構造を決定し，0DP3 のヘム c 結合部位は23 アミノ酸残基で形成され，これまで知られるヘムタンパク質でもっとも短いこと，0DP3 のヘム c は二つといることを示唆した．
筆者らは，0DP. の生理的機能を調べるため，マグネトソームの生細胞蛍光イメージング法を開発し，M.

れたどの c 型シトクロムとも異なる構造をもつ新しいタ

magneticum AMB-1 細 胞 内 の マ グ ネ ト ソ ー ム 動 態 と0DP. 細胞骨格の関係を調べた 32)．24 時間にわたる長イプのシトクロムであることを明らかにした 27)．また，時間タイムラプス観察を行ったところ，野生株では，細もタンパク質の外側に露出しており，これまでに決定さ250

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運動マシナリーの多様性から見えるもの（後編）

図 4．マグネトソームの模式図と本稿で紹介したマグネソトームタンパク質の機能モデル

胞伸長や細胞分裂が起きても，マグネトソームは直鎖状研究のための優れた材料である．同時に，いかにして微の配置に固定された状態で安定に保持されていた．一方，小な細菌の細胞内で高度に組織されたオルガネラが形成

mamK 欠損株では，マグネトソームは細胞内をランダムされ，機能するのかを研究する原核細胞のオルガネラ生に移動して分散するか，大きな蛍光輝点に凝集し，細胞物学や，バイオミネラリゼーション（生物鉱物化作用）内の偏った位置に存在していた．そこで，mamK 欠損株の分子機序を調べる研究材料としても有用であり，基礎でのマグネトソームの拡散定数を調べたところ，マグネと応用研究の両面から注目されている．マグネトソームトソームが単純拡散によって分散していることがわかっ形成に関わるタンパク質の機能を明らかにすることがでた．本研究から 0DP. 細胞骨格の生理的機能が明らかきれば，これらの機構の一端が明らかになることが期待になった．すわなち，0DP. 細胞骨格は，マグネトソーされる．

ムを直鎖状構造に固定することで，マグネトソームの単純拡散による分散や，磁気相互作用による凝集を防ぎ，棒磁石のような構造を細胞中央に維持することで，マグネトソームの磁気センサーとしての機能を支えていることが明らかになった．
おわりに
図 4 は，マグネトソームの構造モデルである．これまでの研究で 0DP$ はマグネトソームを覆うタンパク質層を形成，0DP3 は磁鉄鉱結晶合成のための鉄酸化反応に関わり，0DP. はマグネトソームを直鎖状に固定する細胞骨格を形成し，それぞれのタンパク質がマグネトソームの磁気センサーとして機能を支えていることが明らかになった．私たちは，マグネトソームを構成するタンパク質の機能を研究することで，磁性細菌がどのようにして複雑な原核細胞オルガネラを形成し，オルガネラ内で単結晶の磁鉄鉱を合成するのか，そのメカニズムの解明に挑んでいる．磁鉄鉱結晶の化学合成プロセスでは，数百度の高温環境を用いることが主であり，常温常圧の環境で単結晶の磁鉄鉱を合成でき，その大きさや形状を制御できる磁性細菌の磁鉄鉱生合成機構は，生物工学，ナノテクノロジー，材料工学，医用生体工学などの応用研究分野から注目されている．また，磁性細菌は，生物磁気感知の分子レベルのメカニズム解明を目指した
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謝辞

本研究は科研費の新学術領域「運動超分子マシナリーが織基盤研究（B）［17H03791］，りなす調和と多様性」［24117007］，［16K07661］，若手研究（B）［25850051］のサポー基盤研究（C）
トのもとに遂行されました．心から感謝を申し上げます．

文献  %RELN7$et al.: Mol. Microbiol.98    3IHLIHU)Nat. Rev. Microbiol.10  3) 田代陽介：生物工学，96    YDQ1LIWULN/$ et al.: FEMS Microbiol. Lett.233   &RUQHMR(et al.: Curr. Opin. Cell Biol.26    8HEH 5 6FKOHU ' Nat. Rev. Microbiol. 14    %D]\OLQVNL ' $ DQG )UDQNHO 5 % Nat. Rev.
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特集

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