生命活動の場では、膨大な種類と数の蛋白質ナノマシンが会合離散を繰り返すことにより情報やエネルギーのやりとりを行っており、複雑なネットワークを形成している。そのため多くの蛋白質は会合体を形成し、それらが細胞構造形成の土台となっている。蛋白質はその立体構造によって、それ自身や特定の相手と自発的に複合体を形成する能力を持ち、より大きな複雑な構造体は多くの蛋白質が順序よく結合することで構築される。その良く制御された自己構築機構には、構成蛋白質の自己集合を補助する蛋白質が重要な役割を果たすことも知られているが、その仕組みはまだあまり明らかにされていない。
　この自己構築の仕組みを明らかにするため、細菌べん毛先端の構造を分子レベルで詳細に調べた。

　細菌べん毛は細菌の運動器官であり、回転モータ、軸受、ユニバーサルジョイント、らせん型プロペラなど人工の推進機関と同等の部品から構成される複雑な蛋白質分子機械である。この約20,000rpmで高速回転するモータが細長いらせん型プロペラであるべん毛繊維を回転することにより、細菌は１秒間に自らの体長ほど進む速度で液体中を泳ぎ回ることができる。べん毛の構造形成は、その根元にあって細胞膜を貫通するモータの回転子構造の構築からスタートし、十数種類の蛋白質がそれぞれ多数自己集合することにより、長さ十数ミクロンにも成長する細長いらせん型プロペラへと順序よく構築が進む。モータや軸受は蛋白質のリング状会合体である。一方、ユニバーサルジョイントやプロペラは繊維構造であり、サブユニット蛋白質がらせん状に重合することにより構築される。べん毛繊維のサブユニット蛋白質であるフラジェリンは細胞内で合成され、べん毛中心の直径3ナノメータの細長いトンネルを通過してべん毛先端へ運ばれ、先端で重合する。そこには常にHAP2蛋白質からなるキャップがあり、フラジェリンの効率的な重合を助けている（図１）。

　蛋白質の大規模な会合体構造を詳細に調べるためには、低温電子顕微鏡法が有用である。単離精製したべん毛を急速凍結してガラス状の氷の中に閉じこめ、摂氏-250度以下で観察すると、コントラストは低いものの構造情報の良く保たれた電子顕微鏡像が得られる。コントラストと解像度を高めて立体構造を再構成するため数百枚にも及ぶべん毛画像を集め、軸とキャップの位置をそろえて軸の周りの回転方位角を決め、医療で使われるＸ線ＣＴ（コンピュータ・トモグラフィー）と同様の計算手法であるバックプロジェクション法で立体構造を復元した。

　べん毛繊維はフラジェリン分子がらせん状に重合したチューブ構造であり、11本の素繊維が繊維方向に約2.6ナノメータずつずれて円筒状に束ねられた構造をしている。今回明らかになったのはその先端のキャップ構造である。HAP2蛋白質からなるキャップは５量体を形成しており、５角形の天板と５本足とをもつテーブルのような形をしていた（図２）。べん毛繊維の先端はフラジェリンのらせん配列により、らせん階段構造となっていて、そのらせんに沿って素繊維一本おきに深さ約2.6ナノメータの窪みが計５箇所形成されている。そしてそのひとつは２段連続したより深い窪みになっている。キャップはその５本足のうち４本を４箇所の浅い窪みを埋めるように結合し、残りの深い窪みを空けたままにしていた（図３）。
　つまり、５回対称性を持つ固い天板とは異なり、キャップの足は相手に合わせて柔軟に構造を変えることができ、それによってべん毛先端のらせん階段構造に安定に結合し、しかも常に一箇所だけフラジェリン結合部位を空けておくことができる。そして、フラジェリンがこの部位に結合すると、キャップはその結合エネルギーを利用して、まるでらせん階段を歩いて登るように足を動かし天板を回転させることにより、次のフラジェリン結合部位を作ることができると考えられる。べん毛キャップは、このようにしてフラジェリンの効率的な自己集合を助ける、回転するアセンブリーナノマシンである。（図４）

　蛋白質複合体の自己構築制御や構築補助機構は、生物の身体を構築するしくみの基盤的な分子機構として普遍的なものであるが、具体的なしくみはそれぞれの蛋白質複合体ごとに少しずつ異なる。ここで私たちが明らかにした細菌べん毛キャップ構造とその自己構築を促進する巧みなしくみは、その一例と考えている。今回明らかになったキャップ５本足の柔軟な構造と、それにも関わらず正確で安定な結合様式、そしてその良くコーディネートされた動作は、蛋白質分子立体構造がその成り立ちゆえに普遍的に持つ柔軟性と精密性との両立を見事に示したものであり、生命を支える生物特有の柔らかく且つ高精度の仕組みが、蛋白質が本来有するこういったナノマシンとしての高いポテンシャルに基づくものであることを示していると考えられる。
　21世紀に向けてその基礎研究と応用展開に大きな期待がかかるナノテクノロジーにおいて、既存の工学技術のようにバルクの素材を削ったり合成したりするのではなく、個々の原子を組み合わせ積み上げてナノスケールの機能素子や複雑な機能を持つナノマシンの構築を目指す研究分野がある。自然は生物の中にそのお手本となる蛋白質ナノマシンを豊富に用意してくれているが、その柔軟で高精度の動作機構と高いポテンシャルを、我々はまだ十分に理解しているとは言い難い。さまざまな蛋白質ナノマシンの構造と動作の仕組みを明らかにし、ナノマシンの動作原理についての理解をさらに深めることにより、ナノテクノロジーにおけるナノマシン設計原理に重要な指針が得られると期待される。

This page updated on December 15, 2000

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