豊技大ら,光合成を調節する光スイッチの仕組を解明

豊橋技術科学大学,東京薬科大学,佐賀大学,金沢大学,大阪大学,自治医科大学,東京都立大学は,届く光に応じて自らの構造を変えることで吸収する波長を切り替えるスイッチとしてはたらくタンパク質であるRcaEに着目し,その緑色光吸収状態(Pg)のX線結晶構造の解明に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

近年の研究によって,シアノバクテリアはビリン発色団を結合した光受容タンパク質の一群であるシアノバクテリオクロムを持ち,様々な光の色を感知する能力を持つことが明らかとなりつつある。特に,緑色光と赤色光を感知するシアノバクテリオクロムRcaEは,光合成アンテナタンパク質のかたちや吸収する光の色を調節する光スイッチとしてはたらくことが明らかとなっている。

この能力は光色順化と呼ばれ,光合成生物における環境応答の代表的な例として1世紀以上も前から知られている。研究グループは以前に,2つの状態をとるRcaEの一方の状態である赤色光吸収状態(Pr)の構造の解明に成功していた。

しかし,もう一方のPgの構造は明らかになっておらず,光照射によってどのような構造変換が起きているのかは不明だった。

研究グループは,届く光に応じて自らの構造を変えることで吸収する波長を切り替えるスイッチとしてはたらくタンパク質であるRcaEに着目し,そのPgのX線結晶構造の解明に世界で初めて成功した。RcaEは光を受け取る色素であるビリン発色団とそれを取り囲むタンパク質からできている。

以前報告したRcaEのPrとの構造の比較により,ビリン発色団の構造が変わるだけでなく,位置も大きくずれ,ビリンを包み込むタンパク質に水の通り道の出現・消失を引き起こすことが明らかとなった。

ビリン発色団の構造をNMR(核磁気共鳴分光法)や量子化学計算と呼ばれる手法で詳細に調べると,緑色光吸収状態では,疎水的な環境に置かれたビリン発色団における特定の部位の水素原子(プロトン)が外れ,それによってビリン発色団の結合状態が変わり,吸収する光の波長が大きく短波長側(赤色主体から緑色主体)へとシフトすることが明らかとなった。

この解析から,ビリン発色団を取り囲む化学的な性質を親水性と疎水性の間で切り替え,吸収する波長を制御しているという新しいメカニズムの存在を実証することができた。

研究グループは,この研究の成果は,光合成の環境応答のメカニズムの理解への貢献や,光遺伝学などの応用研究の進展への貢献も期待されるとしている。

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