Research Abstract

無負荷回転プローブによる好熱細菌Thermus thermophilus H+-ATPアーゼ/シンターゼのステップ回転の検出

Thermus thermophilus由来のV1、およびV0V1のATP駆動性回転を、粘性抵抗がほとんどない直径40 nmの金のビーズを回転プローブとして用いることにより、ミリ秒以下の分解能で明らかにした。

Resolving stepping rotation in H-ATPase/synthase with an essentially drag-free probe

2011年3月8日 Nature Communications 2 : 233 doi: 10.1038/ncomms1215

液胞型ATPアーゼ(V0V1)およびF0F1ATPシンターゼは、可溶性のV1もしくはF1部分で起こるATPの加水分解/合成と、膜内在性のV0もしくはF0部分でのプロトン(あるいはNa+)の流れを、シャフト(回転棒)の回転によって共役させている。今回我々は、Thermus thermophilus由来のV1、およびV0V1のATP駆動性回転を、粘性抵抗がほとんどない直径40 nmの金のビーズを回転プローブとして用いることにより、ミリ秒以下の分解能で明らかにした。V1は120°おきにステップ状に回転し、これは触媒部位が3つ存在することと対応している。各ステップ間の小停止にはATPの結合以外に少なくとも2つの事象が起こり、その1つはATPの加水分解と考えられる。V0V1では、1回転あたり12回の小停止が見られ、これはThermus thermophilusのV0回転子の12回対称構造と整合する。80°から40°のサブステップを経るF1とは異なり、V1でのすべての化学力学変換反応のチェックポイントが、ATP結合の待ち位置に一致し、V0内の固定子–回転子の相互作用により、V1での反応とは別の新たな停止箇所が出現する。

古池 晶1,2, 中野雅裕3,4, 足立健吾1,7, 野地博行4, 木下一彦1 & 横山 謙3,5,6

  1. 早稲田大学 理工学術院 物理学科
  2. 大阪医科大学 物理学教室
  3. 東京工業大学 資源化学研究所
  4. 大阪大学 産業科学研究所
  5. 独立行政法人 科学技術振興機構
  6. 京都産業大学 総合生命科学部
  7. 学習院大学 理学部
Vacuole-type ATPases (VoV1 ) and FoF1 ATP synthases couple ATP hydrolysis/synthesis in the soluble V1 or F1 portion with proton (or Na+) flow in the membrane-embedded Vo or Fo portion through rotation of one common shaft. Here we show at submillisecond resolutions the ATP-driven rotation of isolated V1 and the whole VoV1 from Thermus thermophilus, by attaching a 40-nm gold bead for which viscous drag is almost negligible. V1 made 120° steps, commensurate with the presence of three catalytic sites. Dwells between the steps involved at least two events other than ATP binding, one likely to be ATP hydrolysis. VoV1 exhibited 12 dwell positions per revolution, consistent with the 12-fold symmetry of the Vo rotor in T. thermophilus. Unlike F1 that undergoes 80°–40° substepping, chemo-mechanical checkpoints in isolated V1 are all at the ATP-waiting position, and Vo adds further bumps through stator–rotor interactions outside and remote from V1