法政大学、名古屋大学(名大)、東北大学の3者は2月17日、英・オックスフォード大学との共同研究により、自然界では水素イオン流のみをエネルギー源として利用する大腸菌べん毛モータ(分子モータ)を、ナトリウムイオン流も同時に利用できる"ハイブリッドエンジン"のように機能させることに成功したと共同で発表した。

成果は、法政大 生命科学部の曽和義幸 専任講師、名大理学研究科の本間道夫教授、東北大 多元物質科学研究所の石島秋彦教授、オックスフォード大のリチャード・ベリー博士らの国際共同研究チームによるもの。研究の詳細な内容は、米国東部時間2月17日付けで米科学雑誌「米科学アカデミー紀要(PNAS)」に掲載された。

大腸菌を含む多くのバクテリアは、細胞表層から突き出る細長くらせん状の「べん毛繊維」をスクリューのように回転させて水中を泳ぎ、よりよい環境へと移動する。べん毛の回転は、その根元の細胞膜を貫く形で埋まっている、直径が451nmのべん毛モータによって駆動される(画像1)。大腸菌べん毛モータは、毎分約2万回転という、F1エンジンにも匹敵する高速駆動をしながら、瞬時に回転方向を切り替え、100%に近い効率でエネルギー変換することができる、人類の技術ではまだ実現できない高性能なナノマシンだ。

画像1。べん毛モータの模式図

ところが、べん毛モータの構造を見ると、意外にも人工モータと共通性が見られるという。つまり、べん毛繊維へとつながる「回転子」と、その周囲を取り囲むように配置された約10個の「固定子」から構成されている点だ。ただ、回転のためのエネルギー源は電流(電子の流れ)ではなく、水素イオンまたはナトリウムイオンの流れだ。固定子と回転子の間でイオン流から得られるエネルギーを回転力へと変換する仕組みとなっているのである。

大腸菌のべん毛モータは水素イオンのみを通過させる固定子「MotAMotB」を持つ。エネルギー変換機構の鍵となる固定子に関する研究は精力的に行われている。中でも特に興味深い成果とされるのが、大腸菌べん毛モータの回転子と相互作用してナトリウムイオンで駆動できるように遺伝子改変された固定子「PomAPotB」だ。

今回の研究では、大腸菌が本来持つ水素イオン固定子のMotAMotBと遺伝子改変ナトリウムイオン固定子のPomAPotBを、大腸菌べん毛モータ回転子と同時に相互作用させられるかが試された。モータ1個の回転が観察された結果、水素イオン、ナトリウムイオンの両方のエネルギー源を利用して回転するハイブリッドエネルギー型モータとして機能することが示されたのである(画像2)。また、このモータは周囲の環境に応じて、柔軟にパフォーマンスを制御していることが明らかとなった。

画像2。ハイブリッドエネルギー型モータ

さらに詳しい解析により、水素イオン固定子とナトリウムイオン固定子の発生する回転力特性は異なるものの、それらが同時に相互作用する際はお互いを干渉することなく加算的に機能する、柔軟な機構を備えていることも判明。さらに、ナトリウムイオンの濃度が高い時はナトリウムイオン固定子の方が大きな回転力を発生させ、逆にナトリウムイオンの濃度が低い時は水素イオン固定子の方が大きな回転力を発生することもわかっている。

そして、外環境のナトリウムイオン濃度に依存して、モータ内の固定子がダイナミックに入れ替わって再配置し、モータの回転出力が自動的に最適化されることもわかった。このように入力エネルギーに応じて、柔軟にシステムのパフォーマンスを最適化させる仕組みは、将来的に人工的なナノマシンを設計する上で、重要な知見を与えてくれるものと期待される。

また、今回の研究では大腸菌内で機能するハイブリッドモータを人工的に作成したが、自然界には複数種類の固定子を持つバクテリアが存在する。これらのバクテリアのべん毛モータも環境に依存してモータ出力を調節しているのではないかと予想され、バクテリアの生き残り戦略を考察する上でも重要な結果と考えられる。