理研ら,藻類由来の光捕集複合体の構造を解明

理化学研究所(理研),岡山大学,大阪市立大学,熊本大学は,電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析によって,太陽光エネルギーを高効率に吸収する藻類由来の光捕集複合体「フィコビリソーム」の全体構造を明らかにした(ニュースリリース)。

シアノバクテリアや紅藻といった藻類は,光合成初期反応に関与する光捕集複合体「フィコビリソーム」を用いて太陽光エネルギーを高効率に吸収する。そして,光化学系タンパク質である光化学系Ⅰと光化学系Ⅱにそのエネルギーを伝達し,光エネルギーを生命活動に利用している。

フィコビリソームは非常に巨大なタンパク質複合体であり,光を吸収する色素フィコシアノビリンを持つフィコシアニン,アロフィコシアニン,そしてその内部構造を安定化させるリンカータンパク質群によって構成される。しかし,その構造は非常に不安定であるため,立体構造解析はほとんど行なわれてこなかった。

研究グループは,好熱性シアノバクテリア(T. vulcanus)からフィコビリソームを単離し,染色した。その後,電子顕微鏡測定によって得られたフィコビリソーム粒子像を単粒子構造解析することで,T. vulcanusフィコビリソームの全体構造を明らかにした。

T. vulcanusフィコビリソームは,アロフィコシアニンがシリンダー状の複合体となって中心部分を構築し,さらにその中心部分の周りにフィコシアニンが8本の筒状のロッドからなるリング構造を形成していることが明らかになった。

このロッド部分が光を集めるアンテナとしての役割を持ち,ロッドの数が多いほど光を吸収しやすくなる。つまり,T. vulcanusフィコビリソーム内では,8本のロッドが効率よく太陽光エネルギーを吸収し,アロフィコシアニンで構成されている中心部分へ伝達する役割を担っている。

フィコビリソーム内に存在するロッドの数は,他のシアノバクテリア種であるAnabaenaのものと同じだったが,中心部位を構成するアロフィコシアニン三量体がAnabaenaでは4層であったのに対して,T. vulcanus PBSでは3層であり,生物種によってフィコビリソームの構成様式が異なることが明らかになった。

この違いは,各藻類が太陽光エネルギーを効率よく吸収・利用できるよう,生息する環境に応じてフィコビリソームの構造を最適化したことによるものと考えられるという。研究グループは,こ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システムの構築が進展するとしている。

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