京大など、藻類の光合成ターボエンジンを制御する「ブレーキ」を発見

京都大学、理化学研究所、京都女子大学は、光合成におけるCO₂濃縮メカニズムを、不要な時に抑制する「ブレーキ役」のタンパク質「CBP1」を発見した（ニュースリリース）。

水中の微細藻類は、「CO₂濃縮機構（CCM）」という高度な環境適応能力がある。これは、エネルギー（ATP）を投じて細胞内にCO₂を能動的に濃縮し、植物が光合成を行なう際にCO₂を取り込む反応を担うのがルビスコ（Rubisco）という酵素をCO₂で満たす仕組みで、いわば「光合成のターボエンジン」のような役割を果たしている。このターボエンジンのおかげで、藻類はCO₂が希薄な水中でも高い生産性を発揮できる。

しかし、エンジンの稼働には多大なエネルギーコストがかかる。したがって、工場排ガスの中のようにCO₂が十分に存在する環境（高CO₂条件）では、無駄なエネルギー消費を避けるためにエンジンを停止し、省エネモードに切り替えることが生存にとって不可欠。これまでの研究では、CO₂不足を感知してエンジンを始動させる「アクセル役（CCM1）」の存在は知られていたが、十分なCO₂がある時にどのようにしてエンジンを停止させているのか、その「ブレーキ役」の実体は長年の謎であった。

研究グループは、アクセル役であるタンパク質「CCM1」に結合する未知の因子を探索し、新規タンパク質「CBP1（CCM1-binding protein 1）」を発見した。詳細な解析の結果、CBP1は細胞の核内でアクセル役のCCM1と常に結合しており、 CO₂が豊富な環境下でCCM1の働きを抑制する、まさに探求されていた「ブレーキ役」であることが突き止められた。

さらに、CCMの制御が単一ではなく、環境の厳しさに応じた段階的なものであることも明らかになりました。CCMには、CO₂が少し減った段階で稼働する「低親和性CCM」と、極端に欠乏した緊急事態にのみ稼働する、より強力でエネルギー消費の激しい「高親和性CCM」の2種類が存在する。今回発見されたブレーキ役「CBP1」は、主に「低親和性CCM」を制御しており、CBP1がなくなるとこのシステムが抑制できなくなることが分かった。一方で、よりコストのかかる「高親和性CCM」はCBP1がなくても停止していたことから、藻類は環境に応じてブレーキを使い分ける、多重の安全装置を備えていると考えられるという。

ブレーキが壊れて「低親和性CCM」が空回りし続けることは、藻類にとってどれほどの負担になるのかを検証するため、光を弱めて光合成によるエネルギー供給を制限した条件下で培養実験を行なった。その結果、CBP1欠損株は野生株に比べて生育が著しく遅れることが明らかになった。これは、不要な時にターボエンジンを空吹かしすることで細胞内のエネルギー（ATP）が無駄遣いされ、生育に必要なエネルギーが枯渇したことを示唆していた。

この研究により、藻類のエネルギー管理における「アクセルとブレーキ」の両輪が解明された。この成果は、藻類の生理学的な理解を深めるだけでなく、脱炭素社会の実現に向けた産業応用にも大きな可能性をもたらす。例えば、火力発電所や工場からの高濃度CO₂排ガスを利用して藻類を培養する際、CBP1の働きを強化・最適化できれば、不要な濃縮システムを確実に停止させることが可能になる。これにより、CO₂吸収と物質生産におけるエネルギー効率を最大化し、余剰エネルギーをバイオ燃料（油脂）やデンプンなどの有用物質生産に振り向ける「省エネ型」藻類の育種や、カーボンリサイクル技術の高度化に貢献するとしている。