大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年04月14日

2022年4月14日
岡山大学
理化学研究所
東北大学
神戸大学

発表のポイント
・クライオ電子顕微鏡^（注１）を用いた単粒子構造解析^（注２）により、酸素発生型光合成^（注３）を行う生物の中で最も始原的なシアノバクテリア^（注４）Gloeobacter violaceus（以下、グレオバクター）^（注５）の光化学系I（PSI）^（注６）の詳細な立体構造を決定しました。
・これまで報告されているPSI構造と比較したところ、グレオバクターPSIにはタンパク質の構造や色素分子の配置に大きな違いがあることを見出しました。
・グレオバクターPSIで特異的に見出された構造の特徴は、酸素発生型光合成生物の進化の初期段階の形質であると考えられるため、シアノバクテリアがどのように酸素発生型光合成機構を獲得してきたかの謎を紐解く鍵になることが期待されます。

＜現状＞
　酸素発生型光合成は、太陽の光エネルギーを利用して水と二酸化炭素から炭水化物と酸素を合成する反応です。シアノバクテリア、藻類、陸上植物が酸素発生型光合成を行うことにより、我々ヒトを含む、酸素呼吸をする生物は地球上で生活できています。分子系統解析から、シアノバクテリアの中で最も始原的な生物として位置づけられているものがグレオバクターです。グレオバクターが発見された際、チラコイド膜を持たないシアノバクテリアとして報告されました。そのため、グレオバクターは酸素発生型光合成生物の中で唯一の例外として、チラコイド膜ではなく細胞膜上で光合成を営んでいる生物になります。したがって、グレオバクターには酸素発生型光合成を獲得した進化の初期段階の形質が残されていると考え、光合成反応の根幹を担うPSIの分子構造の解析に着目しました。

＜研究成果の内容＞
　岡山大学の長尾特任講師、加藤特任准教授、沈教授と理化学研究所の米倉グループディレクター、浜口研究員（現客員研究員）の研究グループは、神戸大学の秋本准教授、村上准教授（現研究員）と理化学研究所の堂前ユニットリーダーらと共に、始原的なシアノバクテリアであるグレオバクターからPSI三量体を単離し、クライオ電子顕微鏡（日本電子社 CRYOARM 300）を用いた単粒子構造解析により、2.04 Åの分解能^（注８）でPSIの立体構造を解明しました（図１A）。これまでに報告されているPSIの立体構造の中で最も分解能が高く、高精度に解析できました。他の光合成生物のPSI構造と比較した結果、グレオバクターPSIの３種のサブユニット（PsaA、PsaB、PsaF）それぞれに、他の光合成生物には全く存在しないグレオバクター固有のループ構造を見出しました（図１B；図２）。一方で、他の光合成生物には存在し、光環境応答に関与していると考えられるクロロフィルが、グレオバクターでのみ欠落していることを明らかにしました（図３A；３B）。これらのクロロフィルが、進化の後の段階で強い光環境に対処するために出現してきたことが考えられます。
　生物の祖先が獲得した光合成反応が、どのように進化してきたのかはとても興味深い問いの一つです。グレオバクターは始原的シアノバクテリアであることから、今回我々が得た知見は酸素発生型光合成系の進化の初期段階の特徴を示すものと考えています。本研究成果は、光合成の進化を紐解くうえで重要な契機にもなります。

＜社会的な意義＞
　立体構造解析によって生物の多様性を明らかにした本研究の知見を人工光合成研究に取り入れることで、高効率光エネルギー伝達システムの構築が進展するものと期待できます。

■研究資金
　本研究は、日本学術振興会「基盤研究」（課題番号：JP20K06528、JP20H02914）、日本学術振興会「萌芽研究」（課題番号：JP21K19085）、日本学術振興会「新学術領域研究（研究領域提案型）」（課題番号：JP16H06553、JP17H06433）、武田科学振興財団、日本医療研究開発機構（AMED）医療研究開発革新基盤創成事業（CiCLE）、JST未来社会創造事業（課題番号：JPMJMI20G5）の支援を受け実施しました。

■補足・用語説明