東京理科大学理学部第一部教養学科の鞆達也教授ら、4大学1機関による共同研究グループ※1は、クライオ電子顕微鏡を用いて、植物や藻類がもつ複数種類の光合成色素のうち、原始的な藻類であるシアノバクテリアなどに含まれる、可視光より波長が長くエネルギーが低い遠赤色光を吸収できる「クロロフィルf」を結合したタンパク質を高分解能で解析し、光合成におけるクロロフィルfの機能の解明に成功しました。
ポイント
- 可視光よりもエネルギーの低い遠赤色光を吸収できる光合成色素クロロフィルfについて、光合成反応のうち光化学反応を司るクロロフィル?タンパク質複合体の中での正確な位置と、機能を特定。
- クロロフィルfは原核生物の一種シアノバクテリアから発見され、遠赤色光下で培養されたシアノバクテリアでは、白色光下で培養されたものと比べてクロロフィルfが新たに発現し、増えることが知られていた。クロロフィルfは、多くの植物や藻類などが利用できない遠赤色光を吸収することができるが、具体的にどこに存在するのか、光化学反応の中でどのような機能を果たしているのかは分かっていなかった。
- 今回の研究により、クロロフィルfは光化学反応を直接駆動するのではなく、その機能をもつ別の色素にエネルギーを受け渡すことで、光化学反応を促進させる助けとなることが分かった。
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研究の要旨
植物や藻類は、細胞内に光を吸収する光合成色素「クロロフィル（Chl）」をもっています。Chlは細胞内の光合成器官にあって、タンパク質とともに「光化学系 Photosystem, PS）」と呼ばれる膜タンパク質複合体を形成しています。
光合成の初期過程は、光合成色素が光を吸収するところから始まります。PSIIは光エネルギーを利用して、水から電子を奪い、酸素を作ります。電子は中間過程を経てPSIへ受け渡され、PSIは受け取った電子を用いて、NADP+などの電子伝達体を還元させ、化学エネルギーを生み出します（これを光化学反応といい、光合成の後半では、光化学反応で得られたエネルギーを使って二酸化炭素を還元し、糖を合成しています）。
一般的な緑色植物に多く含まれるChl aやChl bは可視光を吸収しますが、Chl fはさらに遠赤色光も吸収します。これによりChl fをもつシアノバクテリアは、十分な可視光が届かない場所でも、光化学反応を行えます（FaRLiP、遠赤色光光順化といいます）。しかし、光化学反応におけるChl fの詳細な役割については、これまで分かっていませんでした。
今回の解析では、Chl fが最初に発見されたシアノバクテリアの一種、Halomicronema hongdechloris（以下、シアノバクテリア）を使用しました。遠赤色光を照射して培養したシアノバクテリアでは、PSIに83個のChl aと7個のChl fが結合していましたが、Chl fはPSIの膜状構造の周辺部分に偏在しており、電子の伝達に関わる部分からは見つかりませんでした。Chlが吸収した光エネルギーは複数のChlの間で受け渡されますが、シアノバクテリアの場合、より低いエネルギーの光を吸収するChl fから、より高いエネルギーを必要とするChl aへとエネルギーが受け渡され、Chl aは受けたエネルギーを利用して電子の伝達を行っていました。このことは「エネルギーは高いところから低いところへ流れる」という一般的な常識とは違う、低いところから高いところへのエネルギー移動が行われたことを意味します。
また、遠赤色光下では、可視光での培養時と比べてシアノバクテリアのPSIの構造が変化しており、PSIの構造変化とChl fの出現には強い相関が見られました。このことから、Chl fの出現により、PSIの構造変化が誘導されることが示唆されました。
注釈
※1
共同研究機関およびメンバーは以下の通りです。（敬称略）
東京理科大学 篠田稔行、鞆達也（責任著者）
岡山大学 加藤公児、長尾遼、沈建仁（責任著者）、秋田総理（責任著者）
筑波大学 宮崎直幸（責任著者）
理化学研究所 鈴木健裕、堂前直
神戸大学 秋本誠志
研究支援
本研究は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構 創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業（創薬等支援技術基盤プラットフォーム事業）、JST PRESTO JPMJPR16P1（秋田総理）、文部科学省?JSPS 科学研究費補助金 JP17K07442, JP19H04726（長尾遼）、JP17H06434（沈建仁）、17726220801, 17K07453, 18H05177（鞆達也）、JP19K22396（秋田総理）およびJSPSによる多国間国際研究協力事業（No. 19-54-50002）の支援により実施したものです。
論文情報
タイトル
“Structural basis for the adaptation and function of chlorophyll f in photosystem I”
DOI
10.1038/s41467-019-13898-5
著者
Koji Kato, Toshiyuki Shinoda, Ryo Nagao, Seiji Akimoto, Takehiro Suzuki, Naoshi Dohmae, Min Chen, Suleyman I. Allakhverdiev, Jian-Ren Shen, Fusamichi Akita, Naoyuki Miyazaki, and Tatsuya Tomo
掲載誌
