メディカルバイオサイエンス学科
岩本（木原） 昌子（いわもと（きはら）・あつこ）
Atsuko Iwamoto-Kihara
専門分野／細胞機能学
研究キーワード／ATP合成酵素、細菌遺伝子への変異導入
職位：准教授
学位：博士（工学）（大阪大学）
- 大阪大学大学院工学研究科博士課程修了
- 大阪大学産業科学研究所教務職員、東京大学大学院総合文化研究科助手を経て本学へ
研究テーマ
① ナノモーターであるATP 合成酵素の回転制御
② ミュータンス菌F 型プロトンATPaseの性状解析
ATP（アデノシン三リン酸）は食物のエネルギー（動物）や光エネルギー（植物）によって細胞で合成され、筋収縮、能動輸送、合成反応などの細胞で起こる生命過程にエネルギーを供給する“細胞のエネルギー通貨”である。ATP合成酵素は、ADP（アデノシン二リン酸）と無機リン酸からATP を合成する膜酵素であり、生体膜の内外に形成されたプロトン（H+）の電気化学的ポテンシャルによってプロトンが膜を横切って流れると、合成反応を行う。近年、本酵素は触媒反応と共に回転するナノサイズのモーターすなわち「ナノモーター」であることが明らかになった。我々は、このモーター分子の回転制御機構に興味を持って、大腸菌のATP合成酵素遺伝子に改変を加えている。変異酵素の回転を直接観察し、柔らかい分子モーターの回転方向や回転頻度が細胞の環境に応じて調節されることが明らかになれば、エネルギー代謝のきめ細かい調節が解明できると考えている。
虫歯の原因菌といわれるミュータンス菌は、ブドウ糖から生成した乳酸を排出し、歯牙のエナメル質を損壊している。この細菌にもATP 合成酵素と相同な分子が存在しており、我々は最近、その遺伝子を大腸菌で発現させて解析した。その結果、この酵素がプロトン排出ポンプとして働いていることを示唆することができた。すなわち、酸性の環境でミュータンス菌が生育するため、ATPを分解してプロトンを細胞外へ能動輸送することで、細胞内部の酸性化を防ぐと思われた。イオン輸送路には特徴があり、構成サブユニットであるc サブユニットには、中性でなく酸性pHでプロトンを輸送する機構が備わっていた。このサブユニットを標的とした特異的な阻害剤が見つかれば、虫歯の予防に役立つ他、ミュータンス菌の感染により悪化する可能性がある炎症性の病気を改善できるかもしれない。
虫歯の原因菌といわれるミュータンス菌は、ブドウ糖から生成した乳酸を排出し、歯牙のエナメル質を損壊している。この細菌にもATP合成酵素と相同な分子が存在しており、我々は最近、その遺伝子を大腸菌で発現させて解析した。その結果、この酵素がプロトン排出ポンプとして働いていることを示唆することができた。すなわち、酸性の環境でミュータンス菌が生育するため、ATPを分解してプロトンを細胞外へ能動輸送することで、細胞内部の酸性化を防ぐと思われた。イオン輸送路には特徴があり、構成サブユニットであるc サブユニットには、中性でなく酸性pHでプロトンを輸送する機構が備わっていた。このサブユニットを標的とした特異的な阻害剤が見つかれば、虫歯の予防に役立つ他、ミュータンス菌の感染により悪化する可能性がある炎症性の病気を改善できるかもしれない。
| 研究の応用領域 | 産官学連携で求めるパートナー |
|---|---|
| エネルギー変換デバイス 虫歯予防薬などの開発 |
生命科学分野あるいは工学分野の研究者・研究機関 |
Topics of research
ATP (adenosine 5'-triphosphate) is an "energy currency" of the cells from bacterium through human. ATP is synthesized utilizing energy included in food molecules or sun light, and is hydrolyzed in energy consuming cellular events, such as muscular contraction, active transport of ions and nutrient, anabolic reactions, etc. ATP synthase is ubiquitously distributed in biological membranes, in which proton motive force (electrochemical potential of H+) was converted to the chemical energy of ATP. When protons were transported through the H+ pathway of the enzyme, ATP is synthesized on the catalytic site from ADP and inorganic phosphate. Recently, direct observation with a f luorescent probe revealed that the enzyme was a nano-size molecular motor in the membranes. The enzyme shows continuous rotation to one direction by ATP hydrolysis. The proton motive force supposed to rotate the enzyme to the reverse direction for ATP synthesis. Although the rotation is suggested to essential for energy coupling between catalysis and H+ transport, the mechanism was not known. We are studying rotational properties of Escherichia coli mutant enzymes to demonstrate coupling mechanism through rotation.
Streptococcus mutans, one of oral microbes, causes dental caries by acidif ication of tooth surface to secret lactic acid. S. mutans has F-type H+-ATPase in the plasma membrane to maintain cellular pH and survive in acidic environment. The H+-ATPase is a homolog of the ATP synthase, whereas it does not physiologically synthesize ATP by the reverse reaction. Recently, we suggested that the enzyme transported H+ to avoid acidif ication of cytoplasm. The c subunit has a mechanism to transport H+ at acidic pH, but not at neutral. This subunit would be the drug target site to prevent dental caries.
Fig. 1 Schematic model of ATP synthase. A subunit complex of γεc10 forms the rotor that rotates against a complex of α3β3δab2, the stator.
Fig. 2 F-type H+-ATPase is located in the plasma membrane of S. mutans. The enzyme actively pumps H+ to maintain cellular pH.
主な業績論文等
- Oka, H., Hosokawa, H., Nakanishi-Matsui, M., Dunn, S. D., Futai, M., and Iwamoto-Kihara, A. Elastic rotation of Escherichia coil F0F1 havingεsubunit fused with Cytochrome b562 or flavodoxin reductase. Biochem. Biophys. Res. Commun. 446, 889-893 (2014)
- Sasaki, Y., Nogami, E., Maeda, M., Nakanishi-Matsui, M., and Iwamoto-Kihara, A. A unique F-type H+-ATPase from Streptococcus mutans: An active H+ pump at acidic pH. Biochem. Biophys. Res. Commun., 443，677-682 (2014)
- Araki, M., Hoshi, K., Fujiwara, M., Sasaki, Y., Yonezawa, H., Senpuku, H., Iwamoto-Kihara, A., and Maeda, M. Complememtation of FO c subunit of Escherichia coli with that of Streptococcus mutans and the properties of the hybrid FOF1-ATP synthase. J. Bacteriol., 195, 4873-4878 (2013)
- Soontharapirakkul, K., Promden, W., Yamada, N., Kageyama, H., Incharoensakdi, A., Iwamoto-Kihara, A., and Takabe, T. Halotolerant cyanobacterium Aphanothece halophytica contains an Na+-dependent F1F0-ATP synthase with a potential role in salt-stress tolerance. J. Biol. Chem. 286, 10169-10176 (2011)
- Nakanishi-Matsui, M., Kashiwag, S., Ubukata, T., Iwamoto-Kihara, A., Wada, Y., and Futai, M. Rotational catalysis of Escherichia coli ATP synthase F1 sector. Stochastic f luctuation and a key domain of theβsubunit. J. Biol. Chem. 282, 20698-20704 (2007)