藻類の太陽光エネルギーを吸収する仕組みを解明 －高効率な光エネルギー伝達デバイスへの応用に期待－

藻類の太陽光エネルギーを吸収する仕組みを解明－高効率な光エネルギー伝達デバイスへの応用に期待－

2022年6月20日 10:00 | 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

【概要】

理化学研究所（理研）放射光科学研究センター利用技术开拓研究部门生体机构研究グループの川上恵典研究员、米仓功治グループディレクター（东北大学多元物质科学研究所教授）、东北大学多元物质科学研究所生物分子机能计测研究分野の浜口祐准教授、大阪公立大学人工光合成研究センターの神谷信夫特别招へい教授（大阪市立大学名誉教授）、大阪公立大学大学院理学研究科生物学専攻の宫田真人教授、熊本大学产业ナノマテリアル研究所の小澄大辅准教授、豊桥技术科学大学応用化学?生命工学系の広瀬侑准教授の共同研究グループは、太阳光エネルギーを高効率に吸収する藻类の光捕集タンパク质复合体「フィコビリソーム^[1]」の中心およびアンテナ部位の立体构造を明らかにすることに成功しました。

本研究成果は、光合成の初期过程である光エネルギーを吸収する仕组みを解明したものです。藻类の光捕集の仕组みを理解し、この知见を人工光合成研究^[2]に取り入れることで、高効率光エネルギー伝达デバイスの开発に贡献することができると期待されます。

今回、共同研究グループは、好熱性シアノバクテリアThermosynechococcus vulcanus（T. vulcanus）^[3]から単离したフィコビリソームの中心部位であるコアとアンテナ部位である棒状のフィコシアニン^[4]ロッドのそれぞれについて、クライオ电子顕微镜^[5]を用いた単粒子解析^[6]を行いました。复雑で巨大な复合体の観察には、クライオ电子顕微镜测定に适した试料调整と国产クライオ电子顕微镜の运用技术开発が必要でした。本研究で解析されたフィコビリソームは発色団としてフィコシアノビリン^[7]のみを持ち、タンパク质环境の违いによって各発色団の吸収波长を変化させ、単一の発色団を用いた一方向性の超高速光エネルギー伝达システムを构筑しています。フィコビリソームの立体构造を解析することで各フィコシアノビリンの周辺环境の详细が明らかとなり、そのエネルギー伝达システムが明らかにされました。

本研究は、科学雑誌『Nature Communications』オンライン版（6月17日付：日本時間6月17日）に掲載されました。

T. vulcanusフィコビリソームの光エネルギー伝達システムの概念図

【用语解説】

[1] フィコビリソーム
シアノバクテリアや红藻、灰色藻といった多くの藻类が持ち、太阳の光を捕集する机能を持つタンパク质复合体。

[2] 人工光合成研究
植物や藻类が行う天然光合成とは异なり、光合成を人工的に行う技术を开発する研究。化石燃料や原子力の代替エネルギーの开発として注目されている。

[3] Thermosynechococcus vulcanus（T. vulcanus）
生育至适温度が50～60?颁程度の中度好热性のシアノバクテリアの一种であり、温泉源に多く生息している。得られるタンパク质は耐热性であるため、植物や藻类が行う天然光合成を调べるための生化学?分光学?构造解析に适している。

[4] フィコシアニン
フィコビリソームを构成するタンパク质の一つで、光を吸収?伝达する色素フィコシアノビリンを持つ。叁つのフィコシアニンでリング状の叁量体を形成し、それが积み重なることでフィコビリソームのロッドを构筑している。

[5] クライオ電子顕微鏡
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。まず、试料を含む溶液を液体エタン（约-170℃）中に落下させ急速冻结し、アモルファス（非晶质、ガラス状）な薄い氷に包埋する。これを液体窒素（-196℃）冷却下で、电子顕微镜観察する。电子顕微镜内の真空中で试料は氷中に保持でき、また、冷却することで电子线の照射による损伤を减らせる。リチャード?ヘンダーソンはグルコースを用いることで电子顕微镜测定での试料の乾燥を防ぎ、そしてジャック?ドゥボシェは氷包埋の手顺を作り、2017年のノーベル化学赏の受赏者に选ばれた。

[6] 単粒子解析
电子顕微镜で撮影した多数の生体分子の画像から、その立体构造を决定する构造解析手法。目的试料の结晶を作製しなくても、立体构造情报を得ることができる。2017年のノーベル化学赏受赏者の1人であるヨアヒム?フランクらにより、単粒子解析の基础が作られた。

[7] フィコシアノビリン
青色の発色団（色素）で、シアノバクテリアや红藻、灰色藻といった多くの藻类が持つ。太阳光エネルギーを吸収?伝达できる。

详细（プレスリリース本文）