論文まとめ295回目 Nature 生命の始まり：熱流は始原的ビルディングブロックを濃縮し、その反応性を高める！？など

2024年4月11日 18:00

科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNatureです。

さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。

一口コメント

Heat flows enrich prebiotic building blocks and enhance their reactivity
熱流は始原的ビルディングブロックを濃縮し、その反応性を高める
「地質学的な亀裂や裂け目のネットワークを通る熱流は、アミノ酸、ヌクレオチド、ポリリン酸などの複雑な混合物から、50種類以上の始原的に関連する化合物を選択的に分離・濃縮することができます。この効果は、亀裂のサイズ、pH、溶媒、温度などの様々な条件下で頑健であることが示されました。例えば、グリシンの二量化反応では、トリメタリン酸（TMP）の選択的な精製により、反応収率が5桁向上しました。この結果は、地質学的に駆動される非平衡状態が、始原的化学を促進するために高度に並列化された反応条件を探索できることを示しています。」

Structural basis of Integrator-dependent RNA polymerase II termination
Integrator
依存的なRNAポリメラーゼ II 転写終結の構造基盤
「Integratorは、RNAポリメラーゼ II (Pol II) をプロモーター近傍領域で終結させることができる複合体です。この研究では、完全なIntegrator–PP2A複合体の3つのクライオ電子顕微鏡構造を異なる機能状態で提示しています。終結前複合体の構造は、これまで解明されていなかったサソリの尾のような形状のINTS10–INTS13–INTS14–INTS15モジュールを明らかにし、その「毒針」を使ってDSIF DNAクランプを開き、転写終結を促進する可能性を示唆しています。終結後複合体の構造は、これまで解明されていなかったサブユニットINTS3と関連するSOSSファクターが、終結後のPol IIのIntegratorへの再結合を防ぐことを示しています。」

A brain-specific angiogenic mechanism enabled by tip cell specialization
先端細胞の特殊化によって可能になった脳特異的な血管新生メカニズム
「この研究では、脳特異的な血管新生メカニズムが、血液脳関門の成熟シグナルとして知られているWnt7a/bリガンドの制御下で機能していることを明らかにしました。Wnt7a/b依存的に発現するMmp25は、脳表面を裏打ちする軟膜基底膜を横切る先端細胞の初期移動に選択的に必要とされます。遺伝的に軟膜基底膜の組成を変化させると、Wnt-β-cateninに依存した脳血管新生の臓器特異的な制御が失われ、血液脳関門に欠陥のある脳血管ネットワークが形成されます。この研究は、臓器が血管新生先端細胞に局所的な制約を課すことで、臓器の特徴的な生理学的要求に適合した血管を選択できることを示しています。」

An optical tweezer array of ultracold polyatomic molecules
超冷却多原子分子の光ピンセットアレイ
「多原子分子は、量子情報科学、量子シミュレーション、超冷却化学、標準模型を超える物理の探索など、さまざまな応用に適した豊かな構造的特徴を持っています。しかし、分子の内部量子状態と運動の自由度の両方を完全に制御することが課題となっています。この研究では、個々のCaOH多原子分子の光ピンセットアレイを作製し、内部量子状態を量子制御することに成功しました。CaOHの複雑な量子構造により、分子の振る舞いはピンセット光の波長に複雑に依存しますが、この相互作用を制御し、90％以上の忠実度で光ピンセットアレイ中の個々の分子を直接非破壊的に撮像することができました。また、単一の内部量子状態レベルで分子を操作し、ピンセットアレイでのコヒーレントな状態制御を実証しました。」

Molecular insights into capsular polysaccharide secretion
莢膜多糖分泌の分子的洞察
「多くの常在菌や病原菌の細胞境界を強化する莢膜多糖（CPS）は、ABC トランスポーター依存的な生合成経路を介して細胞内で脂質アンカー上に合成され、KpsMT ABCトランスポーターに関連するKpsE とKpsDサブユニットによって細胞膜全体を横切って分泌されます。この研究では、構造解析と機能解析を組み合わせることで、グラム陰性菌におけるCPS分泌の重要なステップを明らかにしました。KpsMTは基質特異性が広く、内膜を横切るCPSの転移に十分であることが示されました。また、超解像蛍光顕微鏡を用いて、細胞表面におけるCPSの局在と分布が明らかになりました。さらに、KpsMT-KpsE複合体の6つの異なる状態のクライオ電子顕微鏡解析により、ATP加水分解中のKpsMTの剛体的な構造変化と、膜露出した正電荷のキャニオン内でのグリコリピドの認識が明らかになりました。」

Shell buckling for programmable metafluids
プログラム可能なメタ流体のためのシェル座屈
「従来のメタマテリアルは、構成要素を格子構造内の固定位置に配置していましたが、最近の研究では、流体中に切り離された構成要素を混合することの可能性が明らかになっています。この研究では、高変形性の球形カプセルを非圧縮性流体に混合することで、圧縮性、光学的挙動、粘度をプログラムできる「メタ流体」を実現しました。実験と数値解析により、シェルの座屈が流体に非線形な挙動をもたらすことを示し、この挙動を利用してスマートロボットシステム、高度に調整可能なロジックゲート、切り替え可能な特性を持つ光学素子を開発しました。さらに、座屈時のシェルの崩壊により、層流域で懸濁液の粘度が大幅に上昇することを示しました。このメタ流体は、流体自体の機能を拡張することで、既存の流体デバイスの機能を向上させるための有望なプラットフォームを提供します。」

要約

熱流による始原的ビルディングブロックの濃縮と反応性の向上

この研究は、地質学的な亀裂や裂け目のネットワークを通る熱流が、アミノ酸、ヌクレオチド、ポリリン酸などの複雑な混合物から、50種類以上の始原的に関連する化合物を選択的に分離・濃縮できることを示しました。この効果は、亀裂のサイズ、pH、溶媒、温度などの様々な条件下で頑健であり、グリシンの二量化反応では、トリメタリン酸（TMP）の選択的な精製により、反応収率が5桁向上しました。

事前情報
初期の地球上では、さまざまな始原的化合物が複雑な混合物として存在していましたが、特定の化合物を選択的に濃縮・精製する機構は不明でした。また、多くの始原的化学反応は、特定の反応物質の低濃度により阻害されていました。

行ったこと
研究者らは、地質学的に一般的な亀裂や裂け目のネットワークを模倣したマイクロ流体デバイスを使用し、熱流によるさまざまな始原的化合物の濃縮と分離を実験的に調べました。また、反応物質の選択的濃縮が始原的化学反応の収率に与える影響を評価しました。

検証方法
マイクロ流体デバイスを使用して、アミノ酸、ヌクレオチド、ポリリン酸などの複雑な混合物を含む溶液に温度勾配を適用しました。各化合物の濃縮と分離は、高性能液体クロマトグラフィー（HPLC）を用いて分析しました。また、グリシンの二量化反応を例に、反応物質の選択的濃縮が反応収率に与える影響を調べました。

分かったこと
熱流は、50種類以上の始原的に関連する化合物を複雑な混合物から選択的に分離・濃縮できることが明らかになりました。この効果は、亀裂のサイズ、pH、溶媒、温度などの様々な条件下で頑健でした。また、グリシンの二量化反応では、トリメタリン酸（TMP）の選択的な精製により、反応収率が5桁向上しました。

この研究の面白く独創的なところ
この研究は、地質学的に一般的な亀裂や裂け目のネットワークという自然界の構造が、始原的化合物の選択的濃縮と精製に役立つことを示した点で独創的です。また、反応物質の選択的濃縮が始原的化学反応の収率を大幅に向上させることを実証した点が面白いです。

この研究のアプリケーション
この研究の成果は、生命の起源に関する研究に新たな視点を提供するだけでなく、特定の化合物を複雑な混合物から選択的に分離・精製する新たな方法の開発にも応用できる可能性があります。

著者
Thomas Matreux, Paula Aikkila, Bettina Scheu, Dieter Braun & Christof B. Mast

詳しい解説
この研究は、地質学的に一般的な亀裂や裂け目のネットワークを通る熱流が、始原的化合物の選択的濃縮と精製に重要な役割を果たした可能性を示唆しています。研究者らは、マイクロ流体デバイスを使用して、こうした地質構造を模倣し、アミノ酸、ヌクレオチド、ポリリン酸などの複雑な混合物に温度勾配を適用しました。
その結果、熱流によって50種類以上の始原的に関連する化合物が選択的に分離・濃縮されることが明らかになりました。この効果は、亀裂のサイズ、pH、溶媒、温度などの様々な条件下で頑健であることが示されました。例えば、温度勾配が大きいほど、化合物の濃縮率が高くなることが観察されました。
さらに、研究者らは、グリシンの二量化反応を例に、反応物質の選択的濃縮が始原的化学反応の収率に与える影響を調べました。その結果、トリメタリン酸（TMP）の選択的な精製により、反応収率が5桁も向上することが示されました。これは、始原的化学反応の効率を大幅に改善する可能性を示唆しています。
この研究の成果は、生命の起源に関する研究に新たな視点を提供するだけでなく、特定の化合物を複雑な混合物から選択的に分離・精製する新たな方法の開発にも応用できる可能性があります。例えば、医薬品や化学物質の精製プロセスへの応用が期待されます。
総じて、この研究は、地質学的構造が始原的化合物の濃縮と精製に重要な役割を果たした可能性を示し、生命の起源と化学分離技術の両方に新たな知見をもたらすものです。

Integratorによる RNAポリメラーゼ II の転写終結の構造基盤の解明

この研究は、Integratorによるポリメラーゼ II (Pol II) の転写終結の構造基盤を明らかにしました。3つのクライオ電子顕微鏡構造解析により、Integratorの新たなサブユニットやモジュールの機能が明らかになりました。特に、INTS10–INTS13–INTS14–INTS15モジュールがDSIF DNAクランプを開いて転写終結を促進すること、INTS3とSOSSファクターが終結後のPol IIの再結合を防ぐことが示されました。これらの結果から、Integratorが3段階の大きな構造変化を伴ってPol IIの転写を終結させるモデルが提案されています。

事前情報
Integratorは、RNAポリメラーゼ II (Pol II) の転写を制御する巨大な複合体で、転写開始後のプロモーター近傍での一時停止や非コードRNAの合成終結に関与していることが知られていました。しかし、IntegratorがどのようにしてPol IIを終結させるのかは明らかではありませんでした。

行ったこと
研究チームは、ヒト由来の完全なIntegrator–PP2A複合体を再構成し、クライオ電子顕微鏡による単粒子解析と化学架橋質量分析を行いました。その結果、Pol II転写終結の異なる段階に対応する3つの構造を得ることができました。

検証方法
Integratorの構造解析には、クライオ電子顕微鏡による単粒子解析が用いられました。また、化学架橋質量分析により、タンパク質間の相互作用が確認されました。得られた構造に基づいて、Integratorの各サブユニットの機能や構造変化が詳細に解析されました。

分かったこと
Integratorによる転写終結は、3つの段階を経ることが明らかになりました。まず、不活性状態のIntegrator–PP2A複合体が構造変化を起こし、Pol IIと結合します。次に、INTS10–INTS13–INTS14–INTS15モジュールがDSIF DNAクランプを開き、INTS11がRNAを切断・分解してDNA-RNAハイブリッドをほどきます。最後に、INTS3とSOSSファクターがPol IIの再結合を阻害し、Integratorは閉じた不活性状態に戻ります。

この研究の面白く独創的なところ
この研究は、これまで謎に包まれていたIntegratorによるPol II転写終結の分子メカニズムを構造レベルで明らかにした点で独創的です。特に、INTS10–INTS13–INTS14–INTS15モジュールの「毒針」によるDSIF DNAクランプの開放や、INTS3とSOSSファクターによる終結後のPol II再結合の阻害など、Integratorの新たな機能が次々と明らかになった点が面白いです。

この研究のアプリケーション
Integratorは、遺伝子発現の制御や発生過程で重要な役割を果たしています。この研究で明らかになったIntegratorの作用機序は、転写制御の基礎研究に大きく貢献するだけでなく、将来的には遺伝子発現の人為的な制御技術の開発にも応用できる可能性があります。

著者
Isaac Fianu, Moritz Ochmann, James L. Walshe, Olexandr Dybkov, Joseph Neos Cruz, Henning Urlaub & Patrick Cramer

詳しい解説
この研究では、クライオ電子顕微鏡による単粒子解析と化学架橋質量分析を駆使することで、Integratorによるポリメラーゼ II (Pol II) の転写終結の構造基盤が明らかにされました。研究チームは、ヒト由来の完全なIntegrator–PP2A複合体を再構成し、Pol II転写終結の異なる段階に対応する3つの構造を決定しました。
まず、転写終結前の複合体の構造から、これまで解明されていなかったサソリの尾のような形状のINTS10–INTS13–INTS14–INTS15モジュールが明らかになりました。このモジュールは、Integratorの中核部分や切断モジュールと結合し、その「毒針」を使ってDSIF DNAクランプを開き、上流のDNAを置換することで転写終結を促進すると考えられます。
次に、転写終結後の複合体の構造から、これまで解明されていなかったサブユニットINTS3と関連するSOSSファクターの機能が明らかになりました。INTS3は、Integratorの開いた構造に結合し、Pol IIとの再結合を立体的に阻害します。つまり、INTS3とSOSSファクターは、一度終結したPol IIが再びIntegratorに結合するのを防ぐ役割を果たしていると考えられます。
さらに、Integrator–PP2A複合体の不活性状態の構造から、INTS6がPP2Aのリン酸化酵素の活性部位をブロックしていることが明らかになりました。このことから、Pol IIと結合していない状態では、Integratorの酵素活性が抑制されていると考えられます。
以上の構造解析の結果と生化学的なデータを総合して、研究チームはIntegratorによるPol II転写終結の3段階モデルを提唱しました。

不活性状態のIntegrator–PP2A複合体が構造変化を起こし、Pol IIと結合する。
INTS10–INTS13–INTS14–INTS15モジュールがDSIF DNAクランプを開き、INTS11がRNAを切断・分解してDNA-RNAハイブリッドをほどく。
Pol IIがIntegratorから解離し、INTS3とSOSSファクターがPol IIの再結合を阻害する。最後に、Integratorは閉じた不活性状態に戻る。

このモデルは、他の転写終結因子による終結機構とも概念的に類似しており、例えばXRN2による「トーピードモデル」では、XRN2がRNAを5'から3'方向に分解することでDNA-RNAハイブリッドをほどき、転写バブルの崩壊とPol IIの終結を引き起こすと考えられています。
以上のように、この研究は、これまで謎に包まれていたIntegratorによるPol II転写終結の分子メカニズムを構造レベルで明らかにした点で独創的であり、転写制御の基礎研究に大きく貢献するものです。さらに、Integratorの作用機序の理解は、将来的には遺伝子発現の人為的な制御技術の開発にも応用できる可能性を秘めています。

先端細胞の特殊化によって可能になった脳特異的な血管新生メカニズム

この研究は、脳特異的な血管新生メカニズムが、Wnt7a/bリガンドの制御下で機能していることを明らかにしました。Wnt7a/b依存的に発現するMmp25は、脳表面を裏打ちする軟膜基底膜を横切る先端細胞の初期移動に選択的に必要とされます。遺伝的に軟膜基底膜の組成を変化させると、Wnt-β-cateninに依存した脳血管新生の臓器特異的な制御が失われ、血液脳関門に欠陥のある脳血管ネットワークが形成されることが示されました。

事前情報
脊椎動物の臓器は、局所的に適応した血管を必要としますが、そのような臓器特異的な血管の特殊化は、臓器の血管新生のプロセスとは分子的に無関係であると考えられてきました。

行ったこと
研究チームは、ゼブラフィッシュとマウスを用いて、脳特異的な血管新生メカニズムを調べました。CRISPR-Cas9を用いた遺伝子改変、時間経過に伴う共焦点顕微鏡観察、単一細胞RNA-seq解析、バルクRNA-seq解析、免疫染色、蛍光in situハイブリダイゼーション、電子顕微鏡観察などの手法を駆使しました。

検証方法
研究チームは、ゼブラフィッシュとマウスの遺伝子改変モデルを用いて、Wnt7a/b、Mmp25、軟膜基底膜の主要構成成分であるCol4a5/6の機能を調べました。また、単一細胞RNA-seq解析とバルクRNA-seq解析により、脳血管内皮細胞の遺伝子発現プロファイルを調べました。

分かったこと
脳特異的な血管新生は、Wnt7a/bリガンドの制御下で、Mmp25を介して機能していることが明らかになりました。Mmp25は、脳表面を裏打ちする軟膜基底膜を横切る先端細胞の初期移動に選択的に必要とされます。また、Col4a5/6を標的とすることで、この移動を可能にしています。遺伝的に軟膜基底膜の組成を変化させると、脳血管新生の臓器特異的な制御が失われ、血液脳関門に欠陥のある脳血管ネットワークが形成されることが示されました。

この研究の面白く独創的なところ
この研究は、これまで分子的に無関係だと考えられてきた臓器特異的な血管の特殊化と血管新生のプロセスを結びつけた点で独創的です。また、先端細胞の特殊化が、臓器特異的な血管新生メカニズムの鍵を握っていることを明らかにした点が面白いです。

この研究のアプリケーション
この研究の成果は、血管新生の臓器特異的な制御メカニズムの理解に貢献するだけでなく、将来的には、臓器特異的な血管新生の薬理学的制御につながる可能性があります。また、血液脳関門の形成メカニズムの解明にも役立つと考えられます。

著者
Giel Schevenels, Pauline Cabochette, Michelle America, Arnaud Vandenborne, Line De Grande, Stefan Guenther, Liqun He, Marc Dieu, Basile Christou, Marjorie Vermeersch, Raoul F. V. Germano, David Perez-Morga, Patricia Renard, Maud Martin, Michael Vanlandewijck, Christer Betsholtz & Benoit Vanhollebeke

詳しい解説
この研究は、脳特異的な血管新生メカニズムが、Wnt7a/bリガンドの制御下で機能していることを明らかにしました。Wnt7a/bは、血液脳関門の成熟シグナルとして知られていましたが、この研究により、脳血管新生にも重要な役割を果たしていることが示されました。
研究チームは、ゼブラフィッシュとマウスを用いて、脳特異的な血管新生メカニズムを調べました。まず、ゼブラフィッシュの脳血管内皮細胞の単一細胞RNA-seq解析により、Wnt7a/b依存的に発現するMmp25が同定されました。Mmp25は、脳血管内皮細胞に高発現する分泌型のマトリックスメタロプロテアーゼです。
次に、CRISPR-Cas9を用いてMmp25をノックアウトしたゼブラフィッシュを作製したところ、脳血管新生が大きく阻害されましたが、末梢血管の発生は影響を受けませんでした。また、軟膜基底膜の主要構成成分であるCol4a5/6をノックダウンすると、Mmp25ノックアウトの表現型が回復しました。これらの結果から、Mmp25は、Col4a5/6を標的とすることで、脳表面を裏打ちする軟膜基底膜を横切る先端細胞の初期移動に選択的に必要とされることが明らかになりました。
さらに、遺伝的に軟膜基底膜の組成を変化させると、Wnt-β-cateninに依存した脳血管新生の臓器特異的な制御が失われ、血液脳関門に欠陥のある脳血管ネットワークが形成されることが示されました。この結果は、軟膜基底膜が、血液脳関門の形成に適した血管内皮細胞を選択するための「質の管理」機構として機能していることを示唆しています。
以上の結果から、この研究は、臓器が血管新生先端細胞に局所的な制約を課すことで、臓器の特徴的な生理学的要求に適合した血管を選択できることを示しています。また、先端細胞の特殊化が、骨、肝臓、網膜、固形腫瘍など、他の臓器でも臓器特異的な血管新生メカニズムを制御している可能性が示唆されました。
この研究は、これまで分子的に無関係だと考えられてきた臓器特異的な血管の特殊化と血管新生のプロセスを結びつけた点で独創的であり、先端細胞の特殊化が臓器特異的な血管新生メカニズムの鍵を握っていることを明らかにした点が面白いです。この成果は、血管新生の臓器特異的な制御メカニズムの理解に貢献するだけでなく、将来的には、臓器特異的な血管新生の薬理学的制御や血液脳関門の形成メカニズムの解明につながる可能性があります。

多原子分子の超冷却光ピンセットアレイの作製と内部量子状態の制御

この研究では、個々のCaOH多原子分子の光ピンセットアレイを作製し、内部量子状態を量子制御することに成功しました。CaOHの複雑な量子構造により、分子の振る舞いはピンセット光の波長に複雑に依存しますが、この相互作用を制御し、90％以上の忠実度で光ピンセットアレイ中の個々の分子を直接非破壊的に撮像することができました。また、単一の内部量子状態レベルで分子を操作し、ピンセットアレイでのコヒーレントな状態制御を実証しました。

事前情報
多原子分子は、量子情報科学、量子シミュレーション、超冷却化学、標準模型を超える物理の探索など、さまざまな応用に適した豊かな構造的特徴を持っています。しかし、分子の内部量子状態と運動の自由度の両方を完全に制御することが課題となっています。

行ったこと
研究チームは、個々のCaOH多原子分子の光ピンセットアレイを作製し、内部量子状態を量子制御することに成功しました。CaOHの複雑な量子構造により、分子の振る舞いはピンセット光の波長に複雑に依存しますが、この相互作用を制御し、90％以上の忠実度で光ピンセットアレイ中の個々の分子を直接非破壊的に撮像することができました。

検証方法
光ピンセットアレイ中の個々の分子を直接非破壊的に撮像し、90％以上の忠実度で観測することに成功しました。また、単一の内部量子状態レベルで分子を操作し、ピンセットアレイでのコヒーレントな状態制御を実証しました。

分かったこと
CaOH多原子分子の光ピンセットアレイを作製し、内部量子状態を量子制御することに成功しました。また、CaOHの複雑な量子構造により、分子の振る舞いがピンセット光の波長に複雑に依存することが明らかになりました。この相互作用を制御し、個々の分子を高い忠実度で直接非破壊的に撮像できることが示されました。

この研究の面白く独創的なところ
個々の多原子分子を光ピンセットアレイで捕捉し、内部量子状態を量子制御することに成功した点が独創的です。また、CaOHの複雑な量子構造に起因する分子とピンセット光の非自明な相互作用を制御し、高い忠実度で分子を撮像できる点が面白いです。

この研究のアプリケーション
この研究で実証されたプラットフォームは、多原子分子を用いた量子情報科学、量子シミュレーション、超冷却化学、標準模型を超える物理の探索など、さまざまな実験を可能にすると期待されます。

著者
Nathaniel B. Vilas, Paige Robichaud, Christian Hallas, Grace K. Li, Loïc Anderegg & John M. Doyle

詳しい解説
この研究では、個々のCaOH多原子分子の光ピンセットアレイを作製し、内部量子状態を量子制御することに成功しました。多原子分子は、量子情報科学、量子シミュレーション、超冷却化学、標準模型を超える物理の探索など、さまざまな応用に適した豊かな構造的特徴を持っています。しかし、分子の内部量子状態と運動の自由度の両方を完全に制御することが課題となっています。
研究チームは、CaOH多原子分子の光ピンセットアレイを作製し、内部量子状態を量子制御することに取り組みました。CaOHは複雑な量子構造を持つため、分子の振る舞いはピンセット光の波長に複雑に依存します。この相互作用を巧みに制御することで、研究チームは90％以上の忠実度で光ピンセットアレイ中の個々の分子を直接非破壊的に撮像することに成功しました。
さらに、研究チームは単一の内部量子状態レベルで分子を操作し、ピンセットアレイでのコヒーレントな状態制御を実証しました。これは、多原子分子の内部量子状態と運動の自由度の両方を高い精度で制御できることを示しています。
この研究で実証されたプラットフォームは、多原子分子を用いた量子情報科学、量子シミュレーション、超冷却化学、標準模型を超える物理の探索など、さまざまな実験を可能にすると期待されます。個々の多原子分子を光ピンセットアレイで捕捉し、内部量子状態を量子制御することに成功した点が独創的であり、CaOHの複雑な量子構造に起因する分子とピンセット光の非自明な相互作用を制御し、高い忠実度で分子を撮像できる点が面白いです。
この研究は、多原子分子の量子制御の新しい可能性を切り開くものであり、今後の量子科学や量子技術の発展に大きく貢献すると期待されます。多原子分子の豊かな構造的特徴を活かした新しい応用が次々と生み出されるかもしれません。

莢膜多糖の分泌の分子メカニズムを解明

この研究は、グラム陰性菌における莢膜多糖（CPS）の分泌の重要なステップを明らかにしました。KpsMT ABCトランスポーターは基質特異性が広く、内膜を横切るCPSの転移に十分であることが示されました。また、超解像蛍光顕微鏡を用いて、細胞表面におけるCPSの局在と分布が明らかになりました。さらに、KpsMT-KpsE複合体の6つの異なる状態のクライオ電子顕微鏡解析により、ATP加水分解中のKpsMTの剛体的な構造変化と、膜露出した正電荷のキャニオン内でのグリコリピドの認識が明らかになりました。

事前情報
グラム陰性菌の莢膜多糖（CPS）は、脂質アンカーに結合した高分子量のバイオポリマーで、保護用の莢膜を形成し、接着剤として機能したり、宿主内で病原体を偽装したりします。CPSは主に直鎖状の酸性多糖で、数百個の糖単位から成ります。ABCトランスポーター依存的な生合成経路を介して、CPSは内膜の細胞質側でグリコリピドとして合成され、細胞膜全体を横切って分泌されます。

行ったこと
研究チームは、生化学的分析、超解像CPSイメージング、単粒子クライオ電子顕微鏡を組み合わせて、グラム陰性菌におけるCPSの認識と細胞膜全体を横切る分泌の仕組みを解明しました。まず、大腸菌の遺伝子工学により、Pasteurella multocidaのCPS成分を発現させ、「CPS分泌ホットスポット」を伴う莢膜形成を明らかにしました。次に、KpsMT-KpsE複合体のクライオ電子顕微鏡解析により、ペリプラズム側のオクタマーKpsE「ケージ」に関連付けられたABCトランスポーターの詳細な洞察が得られました。さらに、KpsMT-KpsE複合体の基質結合状態から、KpsMがどのように正電荷のキャニオンでグリコリピドを認識し、基質を収容するために膜貫通領域で剛体的な動きを行うかが明らかになりました。最後に、部位特異的変異導入と in vivo 機能解析により、KpsMサブユニットの界面にある保存されたアルギニン残基を介してKpsMTが基質を結合し転移するモデルが裏付けられました。

検証方法
研究チームは、遺伝子工学によりE. coli C43株にP. multocidaのCPS成分を発現させ、CPSの形成をin vivoで再構成しました。また、超解像蛍光顕微鏡を用いて、細胞表面におけるCPSの分布と局在を直接観察しました。さらに、KpsMT-KpsE複合体のクライオ電子顕微鏡解析により、apo状態と複数のヌクレオチド結合状態における複合体の構造を決定しました。部位特異的変異導入とin vivo CPS分泌アッセイにより、キャニオンを裏打ちする塩基性残基の機能的重要性が明らかになりました。

分かったこと
KpsMTは基質特異性が広く、内膜を横切るCPSの転移に十分であることが示されました。超解像蛍光顕微鏡により、細胞表面におけるCPSの分布と局在が明らかになりました。KpsMT-KpsE複合体のクライオ電子顕微鏡解析から、KpsMTはペリプラズム側のオクタマーKpsE「ケージ」に囲まれていることが分かりました。また、ATP加水分解中のKpsMTの剛体的な構造変化と、膜露出した正電荷のキャニオン内でのグリコリピドの認識が明らかになりました。In vivo CPS分泌アッセイにより、キャニオンを裏打ちする塩基性残基の機能的重要性が確認されました。これらの結果から、ABCトランスポーターによるCPS分泌の分子モデルが提案されました。

この研究の面白く独創的なところ
この研究は、グラム陰性菌におけるCPS分泌の分子メカニズムを構造と機能の両面から明らかにした点で独創的です。特に、KpsMT-KpsE複合体のクライオ電子顕微鏡解析により、ABCトランスポーターがペリプラズム側のオクタマーKpsE「ケージ」に囲まれている様子や、ATP加水分解中の剛体的な構造変化、膜露出した正電荷のキャニオン内でのグリコリピドの認識など、詳細な分子メカニズムが明らかになった点が面白いです。

この研究のアプリケーション
CPSは病原性グラム陰性菌の重要な病原因子であり、新規抗菌剤開発の標的として注目されています。この研究で明らかになったCPS分泌の分子メカニズムは、CPS分泌を標的とした新規抗菌剤の開発に貢献すると期待されます。また、CPSは細菌の表面に保護用の莢膜を形成するだけでなく、宿主内での接着や偽装にも関与するため、病原性の理解にも役立つと考えられます。

著者
Jeremi Kuklewicz & Jochen Zimmer

詳しい解説
この研究は、グラム陰性菌における莢膜多糖（CPS）の分泌の分子メカニズムを構造と機能の両面から明らかにしました。CPSは脂質アンカーに結合した高分子量のバイオポリマーで、保護用の莢膜を形成し、接着剤として機能したり、宿主内で病原体を偽装したりする重要な病原因子です。CPSは主に直鎖状の酸性多糖で、数百個の糖単位から成ります。ABCトランスポーター依存的な生合成経路を介して、CPSは内膜の細胞質側でグリコリピドとして合成され、細胞膜全体を横切って分泌されます。
研究チームは、大腸菌の遺伝子工学により、Pasteurella multocidaのCPS成分を発現させ、CPSの形成をin vivoで再構成しました。超解像蛍光顕微鏡を用いて、細胞表面におけるCPSの分布と局在を直接観察したところ、「CPS分泌ホットスポット」を伴う莢膜形成が明らかになりました。
次に、KpsMT-KpsE複合体のクライオ電子顕微鏡解析により、apo状態と複数のヌクレオチド結合状態における複合体の構造が決定されました。その結果、KpsMTはペリプラズム側のオクタマーKpsE「ケージ」に囲まれていることが分かりました。また、ATP加水分解中のKpsMTの剛体的な構造変化と、膜露出した正電荷のキャニオン内でのグリコリピドの認識が明らかになりました。
さらに、部位特異的変異導入とin vivo CPS分泌アッセイにより、キャニオンを裏打ちする塩基性残基の機能的重要性が確認されました。これらの結果から、ABCトランスポーターによるCPS分泌の分子モデルが提案されました。
この研究は、グラム陰性菌におけるCPS分泌の分子メカニズムを構造と機能の両面から明らかにした点で独創的です。特に、KpsMT-KpsE複合体のクライオ電子顕微鏡解析により、ABCトランスポーターがペリプラズム側のオクタマーKpsE「ケージ」に囲まれている様子や、ATP加水分解中の剛体的な構造変化、膜露出した正電荷のキャニオン内でのグリコリピドの認識など、詳細な分子メカニズムが明らかになった点が面白いです。
CPSは病原性グラム陰性菌の重要な病原因子であり、新規抗菌剤開発の標的として注目されています。この研究で明らかになったCPS分泌の分子メカニズムは、CPS分泌を標的とした新規抗菌剤の開発に貢献すると期待されます。また、CPSは細菌の表面に保護用の莢膜を形成するだけでなく、宿主内での接着や偽装にも関与するため、病原性の理解にも役立つと考えられます。
この研究は、グラム陰性菌の病原性に関わる重要な分子メカニズムを明らかにしただけでなく、新規抗菌剤開発への応用も期待される重要な成果であると言えます。

シェルの座屈を利用してメタ流体の特性をプログラムする

この研究では、高変形性の球形カプセルを非圧縮性流体に混合することで、圧縮性、光学的挙動、粘度をプログラムできる「メタ流体」を実現しました。実験と数値解析により、シェルの座屈が流体に非線形な挙動をもたらすことを示し、この挙動を利用してスマートロボットシステム、高度に調整可能なロジックゲート、切り替え可能な特性を持つ光学素子を開発しました。さらに、座屈時のシェルの崩壊により、層流域で懸濁液の粘度が大幅に上昇することを示しました。

事前情報
メタマテリアルは、その構成ではなく構造によって特性が決定される人工的に設計された材料です。従来、メタマテリアルの構成要素は、格子構造内の固定位置に配置されていました。しかし、最近の研究では、流体中に切り離された構成要素を混合することの可能性が明らかになっています。

行ったこと
研究チームは、高変形性の球形カプセルを非圧縮性流体に混合することで、圧縮性、光学的挙動、粘度をプログラムできる「メタ流体」を実現しました。実験と数値解析により、シェルの座屈が流体に非線形な挙動をもたらすことを示しました。さらに、この挙動を利用してスマートロボットシステム、高度に調整可能なロジックゲート、切り替え可能な特性を持つ光学素子を開発しました。

検証方法
研究チームは、実験と数値解析を組み合わせて、シェルの座屈がメタ流体に与える影響を調べました。スマートロボットシステム、ロジックゲート、光学素子を開発し、メタ流体の応用可能性を実証しました。また、座屈時のシェルの崩壊が懸濁液の粘度に与える影響を調べました。

分かったこと
シェルの座屈により、メタ流体に高度に非線形な挙動が生じることが分かりました。この挙動を利用して、スマートロボットシステム、高度に調整可能なロジックゲート、切り替え可能な特性を持つ光学素子が開発できることが示されました。さらに、座屈時のシェルの崩壊により、層流域で懸濁液の粘度が大幅に上昇することが明らかになりました。

この研究の面白く独創的なところ
従来のメタマテリアルとは異なり、流体中に切り離された構成要素を混合することで、プログラム可能なメタ流体を実現した点が独創的です。また、シェルの座屈という単純な現象を利用して、流体の圧縮性、光学的挙動、粘度をコントロールできる点が面白いです。

この研究のアプリケーション
この研究で提案されたメタ流体は、流体自体の機能を拡張することで、既存の流体デバイスの機能を向上させるための有望なプラットフォームを提供します。スマートロボットシステム、ロジックゲート、光学素子などへの応用が期待されます。

著者
Adel Djellouli, Bert Van Raemdonck, Yang Wang, Yi Yang, Anthony Caillaud, David Weitz, Shmuel Rubinstein, Benjamin Gorissen & Katia Bertoldi

詳しい解説
この研究は、高変形性の球形カプセルを非圧縮性流体に混合することで、圧縮性、光学的挙動、粘度をプログラムできる「メタ流体」を実現しました。メタマテリアルは、その構成ではなく構造によって特性が決定される人工的に設計された材料です。従来、メタマテリアルの構成要素は、格子構造内の固定位置に配置されていましたが、最近の研究では、流体中に切り離された構成要素を混合することの可能性が明らかになっています。
研究チームは、実験と数値解析を組み合わせて、シェルの座屈がメタ流体に与える影響を調べました。その結果、シェルの座屈により、メタ流体に高度に非線形な挙動が生じることが分かりました。この挙動を利用して、スマートロボットシステム、高度に調整可能なロジックゲート、切り替え可能な特性を持つ光学素子が開発できることが示されました。
例えば、シェルの座屈を利用して、流体の圧縮性を制御することができます。通常の流体は非圧縮性ですが、シェルの座屈により、流体全体の見かけの圧縮性を変化させることができます。これにより、流体の挙動を制御し、スマートロボットシステムなどへの応用が可能になります。
また、シェルの座屈を利用して、流体の光学的挙動を制御することもできます。シェルの座屈状態を変化させることで、流体の屈折率や透過率を切り替えることができます。これにより、切り替え可能な特性を持つ光学素子の開発が可能になります。
さらに、座屈時のシェルの崩壊により、層流域で懸濁液の粘度が大幅に上昇することが明らかになりました。これは、シェルの崩壊によって流体の流れが妨げられるためです。この現象を利用して、流体の粘度を制御し、ダンパーなどへの応用が期待されます。
従来のメタマテリアルとは異なり、流体中に切り離された構成要素を混合することで、プログラム可能なメタ流体を実現した点が独創的です。また、シェルの座屈という単純な現象を利用して、流体の圧縮性、光学的挙動、粘度をコントロールできる点が面白いです。
この研究で提案されたメタ流体は、流体自体の機能を拡張することで、既存の流体デバイスの機能を向上させるための有望なプラットフォームを提供します。スマートロボットシステム、ロジックゲート、光学素子などへの応用が期待されます。今後、メタ流体のさらなる発展により、流体を使ったデバイスの可能性が大きく広がると考えられます。

最後に
本まとめは、フリーで公開されている範囲の情報のみで作成しております。また、理解が不十分な為、内容に不備がある場合もあります。その際は、リンクより本文をご確認することをお勧めいたします。