岡山大ら,珪藻の光化学系Ⅱの立体構造を解明

岡山大学,神戸大学,京都大学は,クライオ電子顕微鏡を用いて,珪藻の光化学系II-フコキサンチンクロロフィルタンパク質II超分子複合体(PSII-FCPII)の立体構造解析に成功した(ニュースリリース)。

酸素発生型光合成を行なう上で光エネルギーを効率的に捕集するために,光合成生物は独自の光捕集システムを構築してきた。

集光性色素タンパク質は主に,光化学系I(PSI)および光化学系II(PSII)に結合して,捕集した光エネルギーを伝達する。水域に存在する光合成生物は水深によって使える光の質と量が異なるために多様性が表れたと考えられている。集光性色素タンパク質の差異により,結果として見た目の色の違いが生じる。

珪藻は褐色を呈するが,その原因は集光性色素タンパク質であるフコキサンチンクロロフィルタンパク質(FCP)にある。FCPは太陽光エネルギーの中の青色から緑色の光を吸収することに優れているが,FCPがどのように光エネルギーを吸収し,PSIIに伝達しているのか,その詳細は不明だった。

珪藻のFCPとPSIIとの間における光エネルギーをやり取りする仕組みの解明は,珪藻の光捕集戦略の解明だけでなく,光合成生物の多様性という進化的な疑問を解明するうえでも重要となる。

今回研究グループは,珪藻からPSII-FCPII超分子複合体を精製し,クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析により,2.5Åの空間分解能で立体構造を解明した。FCPIIは,2個の四量体と3個の単量体としてPSIIに結合する。PSII 1個とFCP四量体2個とFCP単量体3個を1セットとし,反対側に同じ組成のタンパク質がもう1セット結合し,二量体を形成する。

研究グループの2019年の報告は3.8Åの分解能で,今回大幅に改善した。まず,FCP四量体について,前回の論文では一つの遺伝子から構成されるホモ四量体であると考えたが,今回,異なる遺伝子産物から構成されるヘテロ四量体であることが判明した。

また,色素分子に関して,FCP特有のクロロフィルやカロテノイドを同定することができた。色素やFCPの配置から,種類の異なる色素間で複雑な光捕集および励起エネルギー伝達のネットワークを形成していることが予想された。そこで,実際に励起エネルギー伝達について時間分解蛍光分光法で解析した結果,FCPからPSIIへの励起エネルギー移動が観測された。

今回の知見は,光合成生物の集光性色素タンパク質の多様性や特殊性や進化を紐解くうえで大きなインパクトを与えるもの。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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