Reproduction of the evolutionary process of photosynthesis utilizing near infrared light toward astrobiology

• Project/Area Number: 19H02018
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17050:Biogeosciences-related
• Research Institution: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: Tsukatani Yusuke 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究プログラム), 副主任研究員 (10421843)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤島 皓介 東京工業大学, 地球生命研究所, 准教授 (00776411) ; 松村 茂祥 富山大学, 学術研究部理学系, 講師 (40619855)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2019: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 色素生合成 / 光合成 / バクテリオクロロフィル / バイオシグニチャー / クロロフィリド酸化還元酵素 / レッドエッジ / 近赤外光 / 光合成進化 / 酵素進化

Outline of Research at the Start

ハビタブル惑星の探査対象として赤色矮星まわりの惑星が注目されており、そこでのバイオマーカーの観測が期待されている。バイオマーカーの１つである“レッドエッジ”は、光合成生物が光波長を吸収することによって起こる反射スペクトルであるが、実際に光合成生物が利用し得る光波長やその進化と対応した詳細な検討はされてこなかったのが問題である。本研究では、可視光利用型光合成から近赤外光利用型光合成への進化を実験的に再現・検証することで、吸収利用する波長帯の変化がどのように且つどれだけ速やかに起こるのかを明らかにすることを目指す。

Outline of Final Research Achievements

To understand the evolutionary process of photosynthesis utilizing near infrared light, we choose chlorophyllide oxidoreductase, COR, as a model system. In this study, we constructed combinatorial mutation libraries of the genes encoding COR subunits. The designed mutations included amino acid substitutions close to the predicted substrate binding site. We attempted to pack a mutated gene or a E. coli cell possessing a mutated gene into a micro-droplet by the microfluidics technique. We also tested the enzymatic assay conditions for COR in the micro droplet.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で確立した、または今後確立する実験系を複合することで試験管内進化した近赤外光型CORを摘出して、その進化発生の元となるアミノ酸変化を同定することが今後の課題である。これによって長波長吸収型光合成への進化を実験的に証明することができ、地球と同様の光質環境変化が見込まれる系外惑星においても同様の進化が起きることを示唆する。生命居住惑星の探索におけるバイオシグニチャー選定の際に重要な知見を提供することが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Incomplete Hydrogenation by Geranylgeranyl Reductase from a Proteobacterial Phototroph Halorhodospira halochloris, Resulting in the Production of Bacteriochlorophyll with a Tetrahydrogeranylgeranyl Tail (2022)
  • Author(s): Tsukatani Yusuke、Harada Jiro、Kurosawa Kanako、Tanaka Keiko、Tamiaki Hitoshi
  • Journal Title: Journal of Bacteriology Volume: 204 Issue: 3
  • DOI: 10.1128/jb.00605-21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Allochromatium tepidum, sp. nov., a hot spring species of purple sulfur bacteria. (2022)
  • Author(s): Madigan, M.T., Absher, J.N., Mayers, J.E., Asao, M., Jung, D.O., Bender, K.S., Kempher, M.L., Hayward, M.K., Sanguedolce, S.A., Brown, A.C., Takaichi, S., Kurokawa, K., Toyoda, A., Mori, H., Tsukatani, Y., Wang-Otomo, Z.Y., Ward, D.M., and Sattley, W.M.
  • Journal Title: Archives of Microbiology Volume: 204 Issue: 1 Pages: 115-115
  • DOI: 10.1007/s00203-021-02715-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of light and oxygen on chlorophyll d biosynthesis in a marine cyanobacterium Acaryochloris marina. (2022)
  • Author(s): Yuki Tsuzuki, Yusuke Tsukatani, Hisanori Yamakawa, Shigeru Itoh, Yuichi Fujita, and Haruki Yamamoto
  • Journal Title: Plants Volume: 11 Issue: 7 Pages: 915-915
  • DOI: 10.3390/plants11070915
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chlorophyllide a oxidoreductase preferentially catalyzes 8‐vinyl reduction over B‐ring reduction of 8‐vinyl chlorophyllide a in late steps of bacteriochlorophyll biosynthesis (2020)
  • Author(s): Yamamoto Haruki、Mizoguchi Tadashi、Tsukatani Yusuke、Tamiaki Hitoshi、Kurisu Genji、Fujita Yuichi
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: - Issue: 12 Pages: 1760-1766
  • DOI: 10.1002/cbic.201900785
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lycopene-Family Carotenoids Confer Thermostability on Photocomplexes from a New Thermophilic Purple Bacterium (2020)
  • Author(s): Seto Ryuta、Takaichi Shinichi、Kurihara Toshiyuki、Kishi Rikako、Honda Mai、Takenaka Shinji、Tsukatani Yusuke、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Kimura Yukihiro
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 59 Issue: 25 Pages: 2351-2358
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00192
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unusual features in the photosynthetic machinery of Halorhodospira halochloris DSM 1059 revealed by complete genome sequencing (2019)
  • Author(s): Tsukatani Yusuke、Hirose Yuu、Harada Jiro、Yonekawa Chinatsu、Tamiaki Hitoshi
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 140 Issue: 3 Pages: 311-319
  • DOI: 10.1007/s11120-019-00613-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stereoselective C3-substituent modification and substrate channeling by oxidoreductase BchC in bacteriochlorophyll a biosynthesis (2019)
  • Author(s): Misato Teramura, Yusuke Tsukatani, Jiro Harada, Mitsuaki Hirose, Hitoshi Tamiaki
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 593 Issue: 8 Pages: 799-809
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13372
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Blastochloris tepida, sp. nov., a thermophilic species of the bacteriochlorophyll b-containing genus Blastochloris (2019)
  • Author(s): Madigan, M. T, Resnick, S. M., Kempher, M, L., Dolnalkova, A. C., Takaichi, S., Wang-Otomo, Z.-Y., Toyoda, A., Kurokawa, K., Mori, H. and Tsukatani, Y.
  • Journal Title: Arch. Microbiol. Volume: 201 Issue: 10 Pages: 1351-1359
  • DOI: 10.1007/s00203-019-01701-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 海洋性シアノバクテリアAcaryochlorisにおけるクロロフィル d生合成の光および酸素依存性の解析 (2022)
  • Author(s): 都築侑季、塚谷祐介、山川壽伯、伊藤繁、藤田祐一、山本治樹
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] 好熱性光合成細菌Chloroflexus aurantiacusの光照射時における増殖様式と光合成タンパク質の発現機序 (2021)
  • Author(s): 河合繁、島村繁、塚谷祐介
  • Organizer: 第34回日本微生物生態学会年会
• [Presentation] 光合成生物の近赤外光利用型への進化再現 (2021)
  • Author(s): 塚谷祐介
  • Organizer: 第9回宇宙における生命ワークショップ
• [Presentation] 好塩性光合成細菌Halorhodospira halochlorisのゲラニルゲラニル還元酵素 (2020)
  • Author(s): 塚谷祐介、原田二朗、田中圭子、民秋均
  • Organizer: 日本ゲノム微生物学会
• [Presentation] クロロフィル色素の生合成酵素の多様性と進化 (2019)
  • Author(s): 塚谷祐介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合
  • Invited
• [Presentation] クロロフィル色素の生合成系の進化 (2019)
  • Author(s): 塚谷祐介
  • Organizer: 日本生化学会
  • Invited
• [Book] 光合成細菌 ―酸素を出さない光合成― (2020)
  • Author(s): 編集：嶋田敬三、高市真一（執筆：浅井智広、井上和仁、大友征宇、嶋田敬三、高市真一、塚谷祐介、永島賢治、原田二朗、平石明）
  • Total Pages: 320
  • Publisher: 裳華房
  • ISBN: 9784785358709