Biomineralization in Magnetospirillum magnetotacticum

金沢大学Scedule:17-18 March 2003, Vemue: Kanazawa, Japan, Kanazawa Citymonde Hotel, Project Leader : Hayakawa, Kazuichi, Symposium Secretariat: XO kamata, Naoto, Edited by:Kamata, Naoto

磁性細菌Magnetospirillum magnetotacticum MS-1におけるマグネタイト生合成経路に関する研究

取得学位：博士(理学)，学位授与番号：博甲第624号，学位授与年月日：平成16年3月25日,学位授与年：200

Cross-talk between moving cells and microenvironment as a basis of emerging order in multicellular systems

金沢大学理工学域自然システム学系磁性細菌の細胞骨格蛋白質について、生化学、細胞生物学、分子生物学的研究により以下の成果が得られた。１、光散乱法によりMamK重合反応を解析したところ、MamK の重合は、ATP存在下で促進されるが、ヌクレオチドの特異性は低く、GTP、CTP、UTP存在下でも重合が確認された。難加水分解性のATPアナログであるAMP-PNPやATP-gamma-S存在下では重合が促進されないことから、重合にはATPの加水分解が必要であることが示唆された。２、免疫染色の結果、MamK結合蛋白質であるMamJが、細胞内においてMamK細胞骨格繊維と共局在していることが示された。そこで、MamJをMamK重合反応液に加えたが、MamK重合反応への影響は確認できなかった。３、MamK欠損株の走磁性をSwimming assayを用いて調べたところ、野生株より走磁性が弱いことが明らかになった。また、MamK欠損株では対数増殖期の細胞中の磁鉄鉱の結晶数が少ないことが分かった。一方、MamKを発現させた相補株では、これらが野生株と同等になることから、MamK細胞骨格が、細胞分裂時のマグネトソーム分配に関わっていることが強く示唆された。４、チューブリン様蛋白質FtsZ-likeを精製し、その重合条件を検討した。その結果、FtsZ-likeが繊維を形成する確認し、その構造を電子顕微鏡で観察した。これらの結果から、磁性細菌の細胞骨格は、既知の細胞骨格とは異なる性質をもち、オルガネラ「マグネトソーム」の分配を担っていることが示唆された。以上の成果に加えて、高速原子間力顕微鏡を用いて、細菌の細胞表面構造を観察を行った。その結果、本細菌の細胞表面がポーリン分子より構成される網目状構造によって覆われていること、またその分子動態を明らかにした。本技術は、他の細菌の表層構造の動態観察への応用が期待できる。研究課題/領域番号:23111508, 研究期間(年度):2011-04-01 – 2013-03-3

Identification of iron transporters expressed in the magnetotactic bacterium magnetospirillum magnetotacticum

金沢大学理工研究域自然システム学系The magnetotactic bacterium Magnetospirillum magnetotacticum MS-1 mineralizes the magnetite (Fe3O4) crystal and organizes a highly ordered intracellular structure, called the magnetosome. However, the iron transport system, which supports the biogenesis of magnetite, is not fully understood. In this study, we first identified the expressions of both the ferric and the ferrous iron transporter proteins in M. magnetotacticum. The cellular protein compositions of ferric and ferrous iron-rich cultures were examined using two-dimensional electrophoresis. According to the gel patterns, two outer-membrane ferric-siderophore receptor homologues were identified as proteins strongly induced in the ferrous iron-rich condition. Also, we identified for the first time that the ferrous iron transport protein, FeoB, is expressed in the M. magnetotacticum cytoplasmic membrane using immunoblotting.

Nitrate reductase from the magnetotactic bacterium Magnetospirillum magnetotacticum MS-1: purification and sequence analyses

金沢大学理学部金沢大学大学院自然科学研究科We purified the nitrate reductase from the soluble fraction of Magnetospirillum magnetotacticum MS-1. The enzyme was composed of 86- and 17-kDa subunits and contained molybdenum, non-heme iron, and heme c. These properties are very similar to those of the periplasmic nitrate reductase found in Paracoccus pantotrophus. The M. magnetotacticum nap locus was clustered in seven open reading frames, napFDAGHBC. The phylogenetic analyses of NapA, NapB, and NapC suggested a close relationship between M. magnetotacticum nap genes and Escherichia coli nap genes, which is not consistent with the 16S rDNA data. This is the first finding that the α subclass of Proteobacteria possesses a napFDAGHBC-type nap gene cluster. The nap gene cluster had putative fumarate and nitrate reduction regulatory protein (Fnr) and NarL protein binding sites. Furthermore, we investigated the effect of molybdate deficiency in medium on the total iron content of the magnetosome fraction and discussed the physiological function of nitrate reductase in relation to the magnetite synthesis in M. magnetotacticum

Tree of motility – A proposed history of motility systems in the tree of life

Motility often plays a decisive role in the survival of species. Five systems of motility have been studied in depth: those propelled by bacterial flagella, eukaryotic actin polymerization and the eukaryotic motor proteins myosin, kinesin and dynein. However, many organisms exhibit surprisingly diverse motilities, and advances in genomics, molecular biology and imaging have showed that those motilities have inherently independent mechanisms. This makes defining the breadth of motility nontrivial, because novel motilities may be driven by unknown mechanisms. Here, we classify the known motilities based on the unique classes of movement-producing protein architectures. Based on this criterion, the current total of independent motility systems stands at 18 types. In this perspective, we discuss these modes of motility relative to the latest phylogenetic Tree of Life and propose a history of motility. During the ~4 billion years since the emergence of life, motility arose in Bacteria with flagella and pili, and in Archaea with archaella. Newer modes of motility became possible in Eukarya with changes to the cell envelope. Presence or absence of a peptidoglycan layer, the acquisition of robust membrane dynamics, the enlargement of cells and environmental opportunities likely provided the context for the (co)evolution of novel types of motility

原核細胞の細胞骨格による磁気感知オルガネラ配置の分子機構

磁性細菌は、マグネトソームと呼ばれる磁気オルガネラを用いて地磁気を感知する。本研究では、微小な細菌内での生細胞イメージングにより、MamK細胞骨格の生理的役割を解析した。その結果、MamK細胞骨格はマグネトソームを直鎖状に固定し、物理的な拡散を防ぐことでマグネトソームを磁気センサーとして機能させていることが明らかになった。また、MamKの重合特性を解析し、MamK繊維には真核生物のアクチンと同様に極性があることを示した。Magnetotactic bacterium orients and swims along the geomagnetic field using magnetic organelle, termed magnetosome, which is positioned in a chain-like configuration in the cells. In this study, we revealed the physiological role of MamK cytoskeleton by using live-cell imaging techniques. The results showed that the MamK cytoskeleton tethers magnetosomes in a static chain to prevent diffusion or aggregation of magnetosomes by a physical disturbance such as simple diffusion. Furthermore, we characterized polymerization properties of the MamK cytoskeleton and showed that MamK filament has polarity similar to eukaryotic actin.研究課題/領域番号:16K07661, 研究期間(年度):2016-04-01 - 2019-03-31出典：研究課題「原核細胞の細胞骨格による磁気感知オルガネラ配置の分子機構」課題番号16K07661（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/report/KAKENHI-PROJECT-16K07661/16K07661seika/）を加工して作

分子イメージングによる原核細胞のナノオルガネラ制御機構の解明

金沢大学理工研究域生命理工学系We aimed to elucidate the molecular mechanism for intracellular positioning of bacterial organelle magnetosomes that function as an intracellular magnetic sensor of magnetotactic bacteria. To do this, we examined the function of MamJ protein that is known as a MamK cytoskeleton binding protein. The role of MamJ on MamK polymerization was assessed using high-speed atomic force microscopy. As a result, we found that MamJ binds to MamK polymers and regulate MamK polymerization to form short and dynamic cytoskeletal filaments. These provided new view on a bacterial cytoskeleton binding protein for organelle positioning.本研究では、磁性細菌の細胞内磁気センサーであるマグネトソームの細胞内配置を制御するための仕組みを明らかにすることを目指し、MamK細胞骨格結合蛋白質であるMamJの機能を明らかにした。MamJおよびアクチン様蛋白質MamKを精製し、主に高速原子間力顕微鏡を用いてMamK重合におけるMamJの役割を検証した。その結果、MamJは、MamK繊維に結合し、短く動的な細胞骨格繊維を形成させることが分かり、新しい細菌細胞骨格の調節蛋白質であることが明らかになった。研究課題/領域番号:19H02868, 研究期間(年度):2019-04-01 - 2022-03-31出典：研究課題「分子イメージングによる原核細胞のナノオルガネラ制御機構の解明」課題番号19H02868（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/report/KAKENHI-PROJECT-19H02868/19H02868seika/）を加工して作