最古の光合成生物「シアノバクテリア」の新しい光利用システムを発見－ロドプシンによる環境適応の軌跡が明らかに－〔海洋研究開発機構, 東京大学, 理化学研究所, 岡山大学, 科学技術振興機構〕
2024（令和6）年 11月 3日
国立大学法人岡山大学
＜発表のポイント＞
マングローブなどの様々な環境に生息するシアノバクテリアの大規模なゲノムデータから、光合成とは異なる光利用システム「微生物型ロドプシン」の新たなグループを発見し、「シアノロドプシン-II（CyR-II）」と命名した。
CyR-IIは、緑色光型と黄色光型の2つのタイプに分かれ、緑色光型はマングローブ・海洋微生物マット、黄色光型は堆積物・土壌と、異なる生息環境に由来する。このことから、利用波長の異なるCyR-IIの獲得によって、シアノバクテリアはそれぞれの光環境に適応してきたと考えられる。
詳細なゲノム解析から、シアノバクテリアはCyR-II以外にも様々なロドプシンを遺伝子水平伝播により獲得し、進化してきたことがわかった。本研究は、進化の過程で獲得したロドプシンが、シアノバクテリアに新しい光利用戦略をもたらしてきたことを示した。
◆概 要
国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長 大和裕幸、以下「JAMSTEC」という。）超先鋭研究開発部門の長谷川万純ポストドクトラル研究員および生命理工学センターの西村陽介研究員と中島悠特任研究員、東京大学大学院新領域創成科学研究科／大気海洋研究所の吉澤晋准教授、理化学研究所の白水美香子チームリーダーと保坂俊彰技師ら、岡山大学の須藤雄気教授と小島慧一講師らによる研究グループは、多様な環境から得られた大規模なメタゲノムデータを網羅的に探索することで、最古の光合成生物として知られるシアノバクテリアから、光合成とは異なる光利用システムである「微生物型ロドプシン（以下「ロドプシン」）」の新たなグループを発見し、「シアノロドプシン-II（CyR-II）」と命名しました。
島国である日本では、様々な海産物を楽しむことができます。これらを育む「海」の生態系を支えているのは、シアノバクテリアや藻類をはじめとする、光合成を行う微生物です。彼らは、光合成を通して太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換し、そのエネルギーを使って作り出す有機物を生態系へもたらします。しかしながら2000年代に、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換するための、光合成とは全く異なるシステムである「微生物型ロドプシン（以下ロドプシン）」が光合成を行わない海洋細菌から見つかったことで、これまで考えられていた以上に多様な微生物が光を利用できることがわかってきました。そして、その後の遺伝子解析技術の発展により、ロドプシン遺伝子は海洋をはじめ、淡水、温泉など様々な環境に生息する微生物に広がっていることが明らかになってきました。
私たちのグループはこれまでに、光合成を行うシアノバクテリアもロドプシン遺伝子を持ち、その多くが淡水環境に生息していること、さらにシアノバクテリアのみが持つロドプシングループ「シアノロドプシン（CyR）」があることを報告しています（Hasegawa et al. 2020）。CyRは、光エネルギーを使って細胞内から細胞外へ水素イオン（H+）を排出することで化学エネルギーを作り出します。また、CyRは光合成が利用しない緑色の光を利用することから、CyRを持つシアノバクテリアは「光合成」と「ロドプシン」の両方を用いて効率よく光を利用していると考えられます。（東京大学大気海洋研究所・研究トピックス1を参照）
しかしながら、「シアノバクテリアのロドプシンが利用できる光は緑色のみなのか？」「海洋のシアノバクテリアは本当にロドプシンを持たないのか？」といった、シアノバクテリアが持つロドプシンの多様性についてはよくわかっていませんでした。こうした背景の中、今回、私たちのグループは、様々な環境から得られたメタゲノム情報を対象に、シアノバクテリアが持つロドプシン遺伝子の探索を行いました。その結果、シアノバクテリアのみが持つ新たなロドプシングループを発見し、「シアノロドプシン-II（CyR-II）」と名付けました。
CyR-IIの機能を調べた結果、CyR-IIはCyRと同様に、光エネルギーを使って細胞内から細胞外へ水素イオン（H+）を排出することがわかりました。一方で、CyR-IIが吸収する光の波長を調べたところ、CyR-IIには、緑色の光を利用するものと黄色の光を利用するものの2タイプが存在することが明らかになりました。こうした利用する光の色の違いが生じる原因をタンパク質の構造から調べたところ、ロドプシン内に結合するレチナール色素周辺のわずかな構造の違いが原因であることを突き止めました。
さらに、CyR-IIの利用する光の色の違いは、CyR-IIを持つシアノバクテリアの生息環境と密接な関係にあることがわかりました。緑色光を利用するCyR-IIはマングローブや沿岸の微生物マット・バイオフィルムに、黄色光を利用するCyR-IIは堆積物や土壌に分布しています。このことから、利用波長の異なるCyR-IIの獲得によって、シアノバクテリアはそれぞれの光環境に適応してきたと考えられます。
また、本研究における詳細なゲノム解析から、シアノバクテリアはCyR-II以外にも様々なロドプシンを遺伝子水平伝播により獲得し、進化してきたことがわかりました。この結果は、「海洋のシアノバクテリアはロドプシンを持たない」という2020年時点の知見を覆し、マングローブなどの汽水域や沿岸域から、陸から遠く離れた外洋まで、様々な海洋環境から得られたシアノバクテリアのゲノム情報を対象としたからこその発見と言えます。特に海洋環境では、ロドプシンは外洋よりも沿岸に生息するシアノバクテリアにおいて多くみられ、沿岸生態系の光利用機構の新しい視点をもたらしました。加えて、ロドプシンを持つシアノバクテリアは、単体の細胞で生活をするものよりも、細胞が糸状に連なっているものや、群体を形成するものに多いことがわかりました。糸状や群体を形成することで、他の細胞との距離が近くなるため、細胞同士での光の奪い合いが生じると考えられます。ロドプシンを用いて光を利用できることは、他者との光を奪い合うような環境で生き残るために役立っている可能性があります。これらの発見は、シアノバクテリアが進化の過程で、ロドプシンを介した新しい光利用戦略を獲得することで、それぞれの生息環境に適応してきたことを示唆します。
これまでの研究から、シアノバクテリアは様々な光環境へ適応するために、光合成機構を多様化させてきたことが明らかとなっています。今回の発見は、シアノバクテリアの進化とその環境適応の軌跡には「ロドプシン」という新たなキープレーヤーが存在し、シアノバクテリアが「ロドプシン」の獲得を通じて様々な光環境に適応してきたことを提唱するものです。
本成果は、微生物生態学の国際誌「The ISME Journal」に2024年11月1日付け（日本時間）で掲載されます。なお、本研究の一部は科学研究費助成事業（JP19J21582、22KJ3197、JP17K07324、JP20H05450、JP21H02446、JP15K14601、JP22H00557）、創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム（BINDS）の支援（JP23ama121001（支援番号1455、1463）およびJP23ama121013）、文部科学省「海洋生物ビッグデータ活用技術高度化」（JPMXD1521474594）、科学技術振興機構（JST） さきがけ（JPMJPR23G9）およびACT-X（JPMJAX21BK）の支援によって実施されました。
図. 本研究で探索したシアノバクテリア由来のロドプシンと、すでに機能が報告されているロドプシンの分子系統樹。緑色線はシアノバクテリア由来、黒色線は他の微生物由来のロドプシン配列を表しています。赤くハイライトしたグループが、本研究で発見した「シアノロドプシン-II」です。
◆論文情報
タイトル：Cyanorhodopsin-II represents a Yellow-Absorbing Proton-Pumping Rhodopsin clade within Cyanobacteria.
著者： 長谷川万純1*、保坂俊彰2、小島慧一3、西村陽介1、栗原眞理恵4、中島悠1、桂芳子2、染谷友美2、白水美香子2、須藤雄気3、吉澤晋5,6,7*
1. 海洋研究開発機構、2. 理化学研究所生命機能科学研究センター、3. 岡山大学学術研究院医歯薬学域、4. 岡山大学大学院医歯薬学総合研究科、5. 東京大学大気海洋研究所、6. 東京大学大学院新領域創成科学研究科、7. 東京大学微生物科学イノベーション連携研究機構
*共同責任著者
DOI：10.1093/ismejo/wrae17
URL：https://academic.oup.com/ismej/article/18/1/wrae175/7850928?login=false
◆詳しい発表内容について
最古の光合成生物「シアノバクテリア」の新しい光利用システムを発見―ロドプシンによる環境適応の軌跡が明らかに―
https://www.okayama-u.ac.jp/up_load_files/press_r6/press20241101-1.pdf
◆本件お問い合わせ先
＜本研究について＞
国立研究開発法人海洋研究開発機構 超先鋭研究開発部門 ポストドクトラル研究員 長谷川万純
電話：046-867-9661
国立大学法人東京大学 大学院新領域創成科学研究科／大気海洋研究所 海洋生態系科学部門 准教授 吉澤 晋
電話：04-7136-6419
国立研究開発法人理化学研究所 生命機能科学研究センター 技師 保坂俊彰、チームリーダー 白水美香子
電話：045-503-9647
国立大学法人岡山大学 学術研究院 医歯薬学域（薬学系） 教授 須藤雄気
電話：086-251-7945
＜JST事業に関すること。
科学技術振興機構 戦略研究推進部 ライフイノベーショングループ 沖代美保
電話：03-3512-3524
Fax：03-3222-2064
＜岡山大学の産学官連携などに関するお問い合わせ先＞
岡山大学研究・イノベーション共創機構 産学官連携本部
〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中1-1-1 岡山大学津島キャンパス 本部棟1階
TEL：086-251-8463
E-mail：sangaku◎okayama-u.ac.jp
※ ◎を@に置き換えて下さい
https://www.orsd.okayama-u.ac.jp/
＜岡山大学の研究機器共用（コアファシリティ）などに関するお問い合わせ先＞
岡山大学研究・イノベーション共創機構 機器共用推進本部
〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中1-1-1 岡山大学津島キャンパス 本部棟1階
TEL：086-251-8745、086-251-8746
FAX：086-251-8748
E-mail：cfp◎okayama-u.ac.jp
※ ◎を@に置き換えて下さい
https://fspp.kikibun.okayama-u.ac.jp/
＜岡山大学のスタートアップ・ベンチャーなどに関するお問い合わせ先＞
岡山大学研究・イノベーション共創機構 スタートアップ・ベンチャー創出本部
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E-mail：start-up1◎adm.okayama-u.ac.jp
※ ◎を@に置き換えて下さい
https://venture.okayama-u.ac.jp/
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https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000002391.000072793.html
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