東京農大など、シアノバクテリアの光合成を酵素で制御　緑色光利用の効率化に道

東京農業大学、東京都立大学、東京科学大学、東京大学は、光合成微生物シアノバクテリアの集光アンテナ複合体フィコビリソームの機能が、導入する色素合成酵素の違いによって大きく変化することを明らかにした（ニュースリリース）。

シアノバクテリアは、地球上で広く分布する光合成微生物であり、CO₂を吸収しながら有用物質を生産できる次世代バイオものづくりホストとして注目されている。これらの生物は、太陽光を効率よく集めるためにフィコビリソームという大型の集光アンテナ複合体を備えている。

フィコビリソームはタンパク質と色素（ビリン）から構成され、色素の種類によって吸収できる光の色が変わりる。研究グループはこれまで、緑色光を吸収するPEBを人工的に導入することでフィコビリソーム機能を変えられることを報告してきた。

今回の研究では、PEBを合成する3種類の酵素系に注目した。一般的な二段階酵素系であるPebA/PebB、海洋性ファージ由来であり単一酵素で反応を進めるPebS、および環境ゲノム情報から見出されたPcyXを比較し、シアノバクテリア細胞内での働きを調べた。

その結果、PebA/PebBおよびPebSではPEB蓄積量が高くなる一方、フィコビリソーム複合体が部分的に小型化・不安定化することが確認された。これに対しPcyXではPEB蓄積量は比較的穏やかでありながら、フィコビリソーム構造を保ったまま緑色光の吸収エネルギーを光合成装置へ効率よく伝達できることが示された。

さらに遺伝子発現解析の結果、PEB蓄積は細胞内の酸化還元バランスや糖代謝関連遺伝子の発現にも影響することがわかった。これは、光捕集アンテナの改変が細胞全体の代謝状態にも波及することを示している。

この研究により、光合成微生物の性能向上には「色素を増やすこと」だけでなく、「どの酵素で、どの程度の速度で色素を作るか」を設計することが重要であると示された。

今後は、フィコビリソーム構造を維持しながらより高効率に緑色光を利用できる株の開発や、複数色素を組み合わせた次世代型集光アンテナの創出が期待されるという。また、人工光合成材料や太陽エネルギー利用デバイスへの応用にもつながる可能性があるとしている。さらに、ウイルス由来酵素など自然界の多様な代謝酵素を活用することで、従来の生物が持たない新しい光合成機能を設計できる可能性が広がる。