東大ら,シアノバクテリアにロドプシン遺伝子発見

東京大学,理化学研究所,岡山大学,産業技術総合研究所は,大規模な比較ゲノム解析を行ない,シアノバクテリアの多くの系統にロドプシン遺伝子が分布すること,またシアノバクテリアは多様なグループのロドプシン遺伝子を持つことを明らかにした(ニュースリリース)。

植物や藍藻(シアノバクテリア)などの生物は,クロロフィルを用いる光合成機構を使って太陽からエネルギーを受け取り,そのエネルギーを使って作り出す有機物を生態系へと流している。

しかしながら,光合成とは全く異なる機構で太陽光からエネルギーを受け取る光受容体“微生物型ロドプシン”など,微生物による光エネルギーの利用方法はこれまで考えられていた以上に多様であることも分かっている。

その後,遺伝子解析技術の発展を背景に,ロドプシン遺伝子は塩湖だけでなく,海洋表層や河川,湖沼や温泉などに生息する微生物に幅広く分布することが分かってきた。一方で,ロドプシンによる光受容は,光合成を行なわず有機物を食べることで生活する“従属栄養微生物”に特有の機構であると考えられてきた。

今回の研究で対象としたシアノバクテリアは酸素発生型の光合成を行なう独立栄養微生物。しかしながら,様々な微生物のゲノムが解読されるにつれ一部のシアノバクテリアからロドプシン遺伝子が見つかり,これまでクロロフィルを用いた光合成のみであると考えられてきたシアノバクテリアの光利用が,ロドプシンによって分担されている可能性が示唆された。

ところが,これまでの研究ではロドプシンを持つシアノバクテリアがどのような系統に属し,どのような環境に生息するのかといった,基礎的なことも分かっていなかった。また,これまでの遺伝子解析から,シアノバクテリアが持つロドプシンは,従属栄養微生物の系統内で多様化してきたものを遺伝子水平伝播により受け取ったものであると考えられてきた。

さらに,シアノバクテリアに特有な未知ロドプシングループ(シアノロドプシン;CyR)を発見し,このグループに属するロドプシンは,クロロフィルが利用しない緑色の光を吸収し,光エネルギーで細胞内から細胞外へ水素イオン(プロトン)を排出する「光駆動型プロトンポンプ」として働くことを明らかにした。

これらの結果は,ロドプシンがシアノバクテリア系統内で多様化し,またCyRを持つシアノバクテリアはクロロフィルとロドプシンの両方を用いて効率よく光を利用する可能性を示すもの。

シアノバクテリア系統内で進化してきたロドプシンが見つかったことは,光合成系とロドプシン系の異なる二つの太陽光利用機構が同じ細胞内で何億年もの間,共に働いてきたことを示し,生物の光利用の常識に新たな概念を提供する成果だとしている。

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