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目に見える光がなくても大丈夫!?遠赤色光で光合成を行えるシアノバクテリアの秘密を解明 ~光化学系Iにおける、クロロフィルfの位置と機能の特定~

2020/01/15

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。

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ChlaやChlbは可視光を吸収しますが、Chlfはさらに遠赤色光も吸収します。これによりChlf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Chlf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、Chlf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Chlaと7個のChlfが結合していましたが、Chlf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Chlfから、より高いエネルギーを必要とするChlaへとエネルギーが受け渡され、Chla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Chlfの出現には強い相関が見られました。このことから、Chlf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。

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