高圧力顕微鏡法による細菌運動観察

Abstract

大腸菌は、細胞外に伸張させたべん毛繊維を束ねて回転させることで、水溶液中を自由に泳ぎ、より生育条件のよい場所へと移動することができる。従来から、細菌の運動機能は圧力の影響を受けやすいことが知られていたが、その詳細なメカニズムは判明していなかった。我々は、高圧力環境下にある物体を高解像度で実時間観察できる高圧力顕微鏡を開発し、大腸菌の遊泳運動が高圧力によりどのように阻害するのか精査した。圧力の増加と共に、大腸菌の遊泳速度は低下していき、80 MPa で全ての菌体の並進運動は停止した。しかしながら、テザードセルの実験系を利用してモーターの回転計測を行ったところ、モーターは回転運動を持続していることが明らかになった。従って、高圧力下で大腸菌の遊泳運動が阻害されるのは、個々のモーターの回転停止ではなく、べん毛繊維の束化阻害が直接的な原因と考えられる。

Hydrostatic pressure is one of the physical stimuli that characterize the environment of living matter. Many microorganisms thrive under high pressure and may even physically or geochemically require this extreme environmental condition. In contrast, application of pressure is detrimental to most life on Earth; especially to living organisms under ambient pressure conditions. To study the mechanism of how living things adapt to high-pressure conditions, it is necessary to monitor directly the organism of interest under various pressure conditions. Recently, we constructed a high–pressure microscope that enables us to acquire high–resolution microscopic images, regardless of applied pressures. The developed system allowed us to monitor the motility of swimming Escherichia coli cells. The fraction and speed of swimming cells decreased with increased pressure. At 80 MPa, all cells stopped swimming and simply diffused in solution. Direct observation of the motility of single flagellar motors revealed that the motors function even at 80 MPa. The discrepancy in the behavior of free swimming cells and individual motors could be due to the applied pressure inhibiting the formation of rotating filament bundles that can propel the cell body in an aqueous environment.