■ 微生物の「膜」生物学
■研究概要
微生物の生体膜の構造・機能・進化について、「細胞の環境適応」や「微生物機能の利用」の観点から研究しています。細胞内と外環境を隔てる境界構造である生体膜は、細胞の内外への様々な物質の出入りを制御すると共に、外環境の変化を感知し様々な細胞応答を開始させるための起点として機能することで、細胞生理や外環境への応答に決定的に重要な役割を果たします。生体膜は脂質二重層と膜タンパク質を基本として構成されますが、その性質・機能の分子基盤は複雑で幅広い多様性があり、外環境との関わり合いに応じて非常に厳密に制御されていることがわかってきています。
私は、細菌の諸活動が自然環境や人間社会と大きく関わりを持つような局面で、生体膜がどのように機能しているかを解明し、その知見を役立てるための研究を行っています。具体的には、@医療現場で問題となる抗菌薬耐性菌の薬剤耐性メカニズムの解明と耐性問題解決戦略の実現、A反芻動物の栄養生理を支えるルーメン（第一胃）内の細菌生体膜の特性解明と利用、B自然界における一次生産者の主役であるシアノバクテリア（酸素発生型光合成を行うグラム陰性菌）および葉緑体（細胞内共生したシアノバクテリアが起源と考えられています）の生体膜機能・進化の分子基盤の理解と利用、を目的とした研究を展開しています。多様で複雑な生体膜機能を解き明かすために、自らの専門である生化学を主体としつつ、電気生理学、数理生物学、ゲノム科学の異なる手法の力を借りて研究に取り組んでいます。具体的内容・成果を以下にまとめます。
■研究内容
1) グラム陰性細菌の薬剤耐性メカニズム
グラム陰性細菌の外膜は、生育阻害物質の細胞内流入を阻害するため、細胞の薬剤耐性に大きく寄与します。2013年に確立した、抗生物質の外膜透過速度を生菌体を用いて実測する実験系を武器にして、外膜の透過性を決定付けるメカニズムの解明に挑んでいます。得られた成果を基に、多剤耐性問題の解決に貢献することを目指しています。
【参考論文：Kojima et al. 2013, 2014, Sugawara et al. 2016, Kowata et al. 2016, 児島征司、2016】
2) シアノバクテリアと原始的葉緑体の表層膜機能の分子機構の解明と利用
葉緑体の起源は原始真核細胞に細胞内共生したシアノバクテリア（グラム陰性細菌の仲間で酸素発生型光合成を行う）だと考えられています。 自然界で棲息するシアノバクテリアが細胞小器官へと変貌する過程で表層膜機能の変化は必須ですが、それがどのようなものであったかを知りたいと考えています。近年の研究から、原始的葉緑体の外膜の物質透過に関与するタンパク質の機能や分子系統が、シアノバクテリアのものとは全く異なっていることを発見しました。原始的葉緑体の外膜構成因子を単離し、人工膜に再構成してその機能を調べてシアノバクテリアと比較することで、シアノバクテリア−葉緑体の変貌過程における外膜機能進化に迫ろうとしています。また、本研究で得た知見を、シアノバクテリアを用いた物質生産技術に応用する研究を始めています。
【参考論文：Kowata et al. 2017, Kojima et al. 2016, 2018】
3) ルーメン（反芻動物第一胃）細菌の外膜構造と機能
ルーメン細菌の生態や代謝機能は反芻動物の栄養生理に直結します。ルーメン内最優勢菌の一つである偏性嫌気性グラム陰性細菌 Selenomonas ruminantium の外膜の機能的・構造的特性を調べることで、ルーメン環境への適応を可能にする生体膜機能を明らかにしようと試みています。この菌では、ポリアミン分子が外膜の構造維持に関与することや、酸性物質に対する外膜透過性が高いなど、他の一般的なグラム陰性細菌とは大きく異なる特性を持っていることが明らかになってきています。宿主動物の栄養生理をルーメン細菌外膜の分子的特性に結び付けられるかどうかを究明しています。
【参考論文：Kojima et al. 2010, 2011, 2016, Kaneko et al. 2015】
■主要論文
[2018]
Kojima S, Iwamoto M, Oiki S, Tochigi S, Takahashi H
Thylakoid membranes contain a non-selective channel permeable to small organic molecules.
J. Biol. Chem. (doi: 10.1074/jbc.RA118.002367)
[2017]
Kowata H, Tochigi S, Takahashi H, Kojima S
Outer membrane permeability of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803: studies of passive diffusion of small organic nutrients reveal the absence of classical porins and intrinsically low permeability.
J. Bacteriol. 199:e00371-17
[2016]
Kojima S, Muramoto K, Kusano T
Outer membrane proteins derived from non-cyanobacterial lineage cover the peptidoglycan of Cyanophora paradoxa cyanelles and serve as a cyanelle diffusion channel.
J. Biol. Chem. 291:20198-20209.
Sugawara E, Kojima S, Nikaido H
Klebsiella pneumoniae major porins OmpK35 and OmpK36 allow more efficient diffusion of β-lactams than their Escherichia coli homologs OmpF and OmpC.
J. Bacteriol. DOI:10.1128/JB.00590-16
Kojima S, Hayashi K, Tochigi S, Kusano T, Kaneko J, Kamio Y
Peptidoglycan-associated outer membrane protein Mep45 of rumen anaerobe Selenomonas ruminantium forms a non-specific diffusion pore via its C-terminal transmembrane domain.
Biosci. Biotech. Biochem. 80:1954-1959.
Kowata H, Tochigi S, Kusano T, Kojima S
Quantitative measurement of the outer membrane permeability in Escherichia coli lpp and tol-pal mutants defines the significance of Tol-Pal function for maintaining drug resistance.
J. Antibiotics. DOI:10.1038/ja.2016.50.
児島征司
グラム陰性細菌の多剤耐性― b-lactam 系抗生物質の外膜透過・排出速度の測定結果を例に理解する―
化学と生物 54(2):80-82.
[2015]
Kaneko J, S. Yamada-Narita, N. Abe, T. Onodera, E. Kan, S. Kojima, T. Miyazaki, Y. Yamamoto, A. Oguchi, A. Ankai, N. Ichikawa, H. Nakazawa, S. Fukui, M. Takahashi, S. Yamazaki, N. Fujita & Y. Kamio
Complete genome sequence of Selenomonas ruminantium subsp. lactilytica will accelerate further understanding of the nature of the class Negativicutes.
FEMS Microbiol Lett 362(9)1-6.
[2014]
Kojima S, Nikaido H
High salt concentrations increase permeability through OmpC channels of Escherichia coli.
J. Biol. Chem. 289:26464-26473
[2013]
Kojima S, Nikaido H
Permeation rates of penicillins indicate that Escherichia coli porins function principally as nonspecific channels.
Proc Natl Acad Sci U S A 110(28): E2629-E2634
[2011]
Kojima S, Kaneko J, Abe N, Takatsuka Y, Kamio Y
Cadaverine covalently linked to the peptidoglycan serves as the correct constituent for the anchoring mechanism between the outer membrane and peptidoglycan in Selenomonas ruminantium.
J Bacteriol 193(9): 2347-2350
[2010]
Kojima S, Ko K.C., Takatsuka Y, Abe N, Kaneko J, Itoh Y, Kamio Y
Cadaverine covalently linked to peptidoglycan is required for interaction between the peptidoglycan and the periplasm-exposed S-layer-homologous domain of major outer membrane protein Mep45 in Selenomonas ruminantium.
J Bacteriol 192(22): 5953-5961