SIT Academic Column 「機械受容」の解明が農業と医学の未来を拓く

動物・植物の両分野で感知と対処のメカニズムを研究

生物はどのようにして、自分に加えられる力や変形といった機械刺激を感じるのだろうか。動物も植物も、音、振動、接触、重力 、圧力など、様々な機械刺激を感じているはずだが、「それらを感じるしくみ＝機械受容」ついては、まだ解明されていない。 このしくみが解明されれば、固い土壌でも根を伸ばすことのできる植物、激しい風雨に負けない植物などの「感知と対処のメカニズム」がわかるようになり、それを農作物の品種改良に応用できるようになるかも しれない。動物の場合には、生体に加わる力が細胞にどう働きかけるのかを解明できれば、疾患が生まれるメカニズムの解明、新薬開発に役立つ可能性がある。こうしたことから、生物が感じる力の役割とそのメカニズムを研究する「メカノバイオロジー」 という新しい学問分野が生まれている。システム理工学部機械制御システム学科の吉村建二郎教授は、このメカノバイオロジー分野で、生物の「機械受容」を植物と動物の両面から解明しようと、人工脂質膜を用いた電気生理学的研究に取り組んでいる。

MCA タンパク質が植物の接触センサーであることを証明

2021年10月、吉村教授、東京学芸大学の飯田和子研究員、飯田秀利名誉教授の研究チームは、MCAタンパク質が植物の接触センサーとして働くことを世界で初めて証明した研究成果を発表した。

それまで、植物には固有の接触センサーがあると考えられていたが、それが何かはわかっていなかった。2007年、東京学芸大学の飯田教授らは、シロイヌナズナのMCA1とMCA2のタンパク質が接触センサーの候補であると考えた。この二つのタンパク質は細胞膜に存在し、細胞膜が伸ばされるなどの機械刺激を受けて、細胞内にカルシウムイオン（Ca2+）を取り込む働きを持っている。こうした働きを持つタンパク質は「機械受容チャネル ＝接触センサーの一種」と考えられている。そこで、シロイヌナズナのMCA1とMCA2の遺伝子を酵母やアフリカツメガエルの卵母細胞内で働くようにして、 この二つのタンパク質を解析することにより、これらが接触センサーの有力候補であることを示した。

しかし、この二つのタンパク質が植物の接触センサーであることの証明はできな かった。なぜなら、実験に生きている細胞を使ったため、MCA1とMCA2が細胞膜の伸展などの機械刺激を直接感じているのか、細胞内の別のタンパク質が機械刺激を感じ、その情報をMCA1、MCA2に伝えているのかを区別できな かったからだ。そこで、この研究に加わっ たのが、人工の細胞膜を用いた電気生理学的研究において世界の第一人である吉村教授だ。

吉村教授は、試験管内で合成・精製されたMCA2を人工脂質膜に組み込み、その膜を伸展させると、膜の伸展の度合いに応じてMCA2がCa2+を通す確率 が上がることを発見した。また、MCA1 、MCA2を通して、脂質人工膜内にCa2+が流入することも証明した。こうして、この2つのタンパク質が、膜の伸展を感じてCa2+を浸透させる接触セ ンサーであることが、世界で初めて証明されたのだ。

この研究チームは、MCA1、MCA2タンパク質は人工脂質膜上でそれぞれ4分子が集まってイオンの通り道、すなわちイオンチャネルを形成することも証明した。この集合体は4本の円筒が集まった形をしていて、脂質人工膜が引っ張られると円筒の中央にイオンの透過孔が開き、そこをCa2+が通るのではないかと研究チームは考えているが、この仮説が正しいかどうかは今後の検証が必要だ（図1)  。