藻類の太陽光エネルギーの高効率な伝達状態を解明

－巨大タンパク質複合体の単離と光エネルギー移動の詳細－

【概要】

　理化学研究所（理研）放射光科学研究センター生体機構研究グループの川上恵典研究員、米倉功治グループディレクター（最先端研究プラットフォーム連携（TRIP）事業本部理研－JEOL連携プロジェクト副プロジェクトディレクター、東北大学多元物質科学研究所教授）、熊本大学産業ナノマテリアル研究所の小澄大輔准教授、同大学院自然科学教育部の板東（魚谷）未希博士後期課程学生、木田雅俊博士前期課程学生（研究当時）、廣田悠真博士前期課程学生（研究当時）、同大学理学部理学科物理学コースの加藤善大学士課程学生（研究当時）、豊橋技術科学大学応用化学・生命工学系の広瀬侑准教授の共同研究グループは、太陽光エネルギーを高効率で吸収する藻類の光捕集タンパク質複合体「フィコビリソーム（PBS）[1]」と水を分解して酸素を発生する膜タンパク質複合体「光化学系Ⅱ（PSⅡ）[2]」が相互作用したフィコビリソームー光化学系Ⅱ（PBS-PSⅡ）超複合体の調製法を確立し、その全体構造の評価と、フィコビリソームからPSⅡへの光エネルギー伝達の速度と経路を明らかにしました。

　本研究成果は、藻類が吸収した太陽光エネルギーがどのようにPBSからPSⅡへと効率よく伝達されるのかを解明したもので、この知見を人工光合成研究[3]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に貢献すると期待されます。

　今回、共同研究グループは、温泉から採取された好熱性シアノバクテリアThermosynechococcus vulcanus（T. vulcanus）[4]からPBS-PSⅡを単離する調製法を確立し、染色剤で試料を染めた後に電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析を行うことでその全体構造を評価するとともに、光エネルギーがどのような経路を経てPBSからPSⅡへ伝達されるのかを明らかにしました。

　本研究は、科学雑誌『Plant and Cell Physiology』オンライン版（9月10日付：日本時間9月10日）に掲載されました。

【今後の期待】

　本研究では、新たに構築した試料調製法によってシアノバクテリアのPBS-PSⅡ超複合体が得られることを、電子顕微鏡測定と2次元クラス分類による解析によって評価し、得られた試料の時間分解蛍光測定から、PBSからPSⅡへの超高速なエネルギー伝達の詳細を明らかにしました。

　光エネルギーを吸収するタンパク質複合体間の高効率なエネルギー伝達の仕組みを理解し、そ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を行うことができる人工デバイスの構築が行えると期待されます。

【補足説明】

[1] フィコビリソーム（PBS）

多くの藻類が持つ、太陽の光を捕集し伝達する機能を持つタンパク質複合体。PBSはphycobilisomeの略。

[2] 光化学系Ⅱ（PSⅡ）

植物や藻類の中に存在し、太陽光エネルギーを吸収して電子伝達を行うとともに、水を分解して酸素を発生させることができる膜タンパク質複合体。クロロフィルやカロテノイドといった多数の色素を持ち、フィコビリソームから光エネルギーを受け取ることができる。PSⅡはphotosystemⅡの略。

[3] 人工光合成研究

植物や藻類が行う天然光合成とは異なり、光合成を人工的に行う技術を開発する研究。化石燃料や原子力の代替エネルギーの開発として注目されている。

[4] 好熱性シアノバクテリアThermosynechococcus vulcanus（T. vulcanus）

生育最適温度が50～60˚C程度の中度好熱性のシアノバクテリアの一種であり、温泉源に多く生息している。得られるタンパク質は耐熱性であるため、植物や藻類が行う天然光合成を調べるための生化学・分光学・構造解析に適している。

【論文情報】

＜タイトル＞

Preparation, structural characterization, and ultrafast energy transfer dynamics of the phycobilisome-photosystem II megacomplex in a thermophilic cyanobacterium

＜著者名＞

Keisuke Kawakami, Miki Bandou-Uotani, Masatoshi Kida, Yoshiharu Kato, Yuma Hirota, Yuu Hirose, Daisuke Kosumi, Koji Yonekura

＜雑誌＞

Plant and Cell Physiology

＜DOI＞

10.1093/pcp/pcaf076

【プレスリリース】（PDF1681KB）