環境ゲノム情報と培養技術で紐解くロドプシン保有細菌の新規「発色団獲得」戦略

• Project/Area Number: 19J01352
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 45040:Ecology and environment-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 中島 悠 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門生物資源情報基盤研究グループ, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ロドプシン / 微生物生態学 / レチナール / カロテノイド / ゲノム解析

Outline of Research at the Start

微生物ロドプシンはレチナール色素が結合した光受容タンパク質で、イオン輸送や光センサーの機能を持つ。様々な水圏の微生物がロドプシンを持ち、海洋表層では半数以上の細菌がこれを保有すると予測されている。イオン輸送機能は光から化学エネルギーを生産でき、光合成とは異なる光利用機構として重要である。しかし近年、光受容を担うレチナールを生産するために必須されていたblh遺伝子を持たない株が発見されてきた。これまでの常識ではレチナールが生産できずロドプシンも機能しない。本研究では、新規レチナール生産遺伝子の探索や、作業仮説「レチナール再利用仮説」を実証しロドプシン保有細菌の新規「発色団獲得」戦略を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

微生物型ロドプシンは、光を受容することでイオン輸送やセンサーとして働く機能が知られている。この光受容は、内部に結合したレチナール色素が担うことから、ロドプシンの機能発揮には必須の分子と考えられる。近年のゲノム解析技術の発展に伴い、ロドプシンを持ちながら、このレチナールを生産するための既知の遺伝子を持たない微生物が多く知られるようになってきた。これらの微生物は、自身でレチナールを生産するのか、あるいは周辺環境から受け取るのかは不明であった。そこで本研究では、そのような細菌を用い、ロドプシンが機能するのか、レチナール生産が可能なのかを明らかにすると共に、生態系における、ロドプシンとそれを取り巻くレチナールの獲得戦略について明らかにすることを目的とした。
その結果、ロドプシンの活性およびレチナールを検出することができ、未知のレチナール生産経路によってレチナール生産をしている可能性が示された。しかし、自身で生産できるレチナール量は細胞内のロドプシン量と比べて少ないことも明らかとなり、環境中から取り込むという可能性も残されている。これらの結果は学術誌 Microbes & Environmentsに掲載済みである。
さらにロドプシンを有する細菌・古細菌内で、どの程度既知のレチナール生産経路が存在するのかを解析したところ、平均で約3割のゲノム中には既知の遺伝子は存在しなかった。前年度に特定のグループではほぼ全てのゲノム中に既知のレチナール生産経路が存在しないことを明らかにしており、これまでとは全く異なる色素の獲得戦略を取る可能性が示された。本年度は、レチナールの前駆体となるカロテノイドの代謝遺伝子の有無を大規模なゲノムデータベースに登録されているゲノムを用いて解析を行うとともに、ロドプシンやそれら色素代謝関連遺伝子を環境ゲノム中から探索、存在量推定を行なった。これらは現在投稿準備中である。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Bacterium Lacking a Known Gene for Retinal Biosynthesis Constructs Functional Rhodopsins (2020)
  • Author(s): Nakajima Yu、Kojima Keiichi、Kashiyama Yuichiro、Doi Satoko、Nakai Ryosuke、Sudo Yuki、Kogure Kazuhiro、Yoshizawa Susumu
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 35 Issue: 4 Pages: n/a-n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.me20085
  • NAID: 130007950468
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A unique clade of light-driven proton-pumping rhodopsins evolved in the cyanobacterial lineage (2020)
  • Author(s): Hasegawa Masumi、Hosaka Toshiaki、Kojima Keiichi、Nishimura Yosuke、Nakajima Yu、Kimura-Someya Tomomi、Shirouzu Mikako、Sudo Yuki、Yoshizawa Susumu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 16752-16752
  • DOI: 10.1038/s41598-020-73606-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A distinct lineage of giant viruses brings a rhodopsin photosystem to unicellular marine predators (2019)
  • Author(s): Needham David M.、Yoshizawa Susumu、Hosaka Toshiaki et. al.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 116 Issue: 41 Pages: 20574-20583
  • DOI: 10.1073/pnas.1907517116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] シアノバクテリアの光合成とは異なる光利用：シアノロドプシンの発見 (2020)
  • Author(s): 長谷川万純, 保坂俊彰, 小島慧一, 西村陽介, 中島 悠, 染谷友美, 白水美香子, 須藤雄気, 吉澤晋
  • Organizer: 日本地球化学会 第 67 回オンライン年会
• [Presentation] 微生物生態学の最前線 (2020)
  • Author(s): 岡崎友輔, 中島悠, 井上真男, 金子博人, 志野裕亮, 峯田航, 山下大祐, 熊谷洋平
  • Organizer: 日本地球化学会 第 67 回オンライン年会
• [Presentation] Is the possession of retinal-synthesis gene (blh) essential for the function of rhodopsin? (2019)
  • Author(s): Yu Nakajima, Keiichi Kojima, Satoko Doi, Yuichiro Kashiyama, Ryosuke Nakai, Yuki Sudo, Kazuhiro Kogure, Susumu Yoshizawa
  • Organizer: 16th SAME Symposium of Aquatic Microbial Ecology
  • Int'l Joint Research