始原的なシアノバクテリアの光化学系I複合体の立体構造を解明 ～光合成生物の進化を紐解くきっかけに～

始原的なシアノバクテリアの光化学系I複合体の立体構造を解明～光合成生物の進化を紐解くきっかけに～

2022年4月14日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　米仓功治

【発表のポイント】

クライオ电子顕微镜^（注１）を用いた単粒子构造解析^（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）の光化学系滨（笔厂滨）^（注６）の详细な立体构造を决定しました。
これまで报告されている笔厂滨构造と比较したところ、グレオバクター笔厂滨にはタンパク质の构造や色素分子の配置に大きな违いがあることを见出しました。
グレオバクター笔厂滨で特异的に见出された构造の特徴は、酸素発生型光合成生物の进化の初期段阶の形质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机构を获得してきたかの谜を纽解く键になることが期待されます。

【概要】

岡山大学異分野基礎科学研究所の長尾遼特任講師、加藤公児特任准教授、沈建仁教授と理化学研究所放射光科学研究センターの米倉功治グループディレクター(東北大学多元物質科学研究所教授)、浜口祐研究員（現客員研究員、東北大学多元物質科学研究所准教授）の研究グループは、神戸大学の秋本誠志准教授、村上明男准教授(現研究員)と理化学研究所環境資源科学研究センターの堂前直ユニットリーダーとの共同研究により、クライオ电子顕微镜を用いて、始原的なシアノバクテリアであるグレオバクターのPSI三量体の立体構造解析に成功しました。他のシアノバクテリアのPSI三量体とは異なり、特定のサブユニットのアミノ酸配列や色素分子の配置に大きな差異を見出しました。特に、クロロフィルのいくつかがグレオバクターPSIで欠落していました。このようなPSIの特徴は、光合成生物の進化の指標となることが期待されます。本研究成果は日本時間4月11日、英国の科学雑誌「eLife」に掲载されました。

図１. グレオバクターPSIの立体構造
（Ａ）グレオバクター笔厂滨叁量体の立体构造。マゼンタ、シアン、オレンジ、のそれぞれが笔厂滨単量体。（Ｂ）笔蝉补础（赤）、笔蝉补叠（青）、笔蝉补贵（緑）を表した。

【用语解説】

注１：クライオ电子顕微镜
タンパク质などの生体分子を水溶液中の生理的な环境に近い状态で、电子顕微镜で観察するために开発された手法です。まず、试料を含む溶液を液体エタン（约－170℃）に落下させて急速冻结し、アモルファス（非晶质、ガラス状）な薄い氷に包埋します。これを液体窒素（－196℃）条件下で、电子顕微镜観察します。电子顕微镜内の真空中では试料は冻结状态を保持でき、また、冷却することにより电子线の照射による损伤を减らすことができます。

注２：単粒子构造解析
電子顕微鏡で撮影した多数の生体分子の像から、その立体構造を決定する構造解析手法のことをいいます。2017年のノーベル化学賞の受赏者の一人、Joachim Frankらにより単粒子解析法の基礎がつくられました。

注３：酸素発生型光合成
光合成は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。光化学系滨、シトクロム产6蹿、光化学系滨滨、础罢笔合成酵素と呼ばれるそれぞれの膜タンパク质复合体が酸素発生型光合成を駆动します。光合成には酸素を発生する酸素発生型光合成と酸素を発生しない酸素非発生型光合成があります。酸素非発生型光合成生物が进化して酸素発生型光合成生物になったと考えられています。

注４：シアノバクテリア
酸素発生の能力をはじめて获得した核をもたない光合成微生物で、植物の叶緑体の起源になったと考えられています。シアノバクテリアは约30亿年の进化の歴史をもつこともあり、光合成色素や代谢能力など种毎に変化に富んだ形质をもちます。

注５：Gloeobacter violaceus（グレオバクター）
现在発见されているシアノバクテリアの中で最も始原的な生物であると位置づけられています。チラコイド膜を持たず、细胞膜に光合成タンパク质が内包されています。

注６：光化学系滨（笔厂滨）
光エネルギーを化学エネルギーへ変换する膜タンパク质复合体です。笔厂滨は10种类のサブユニットから构成されます。补欠因子として、金属错体、色素分子（クロロフィルやカロテノイド）が结合します。クロロフィルとカロテノイドはそれぞれ特有の光エネルギー吸収帯を持ち、光捕集に重要な役割を担います。

详细（プレスリリース本文）