海洋微生物光受容の全貌解明：大規模メタゲノムで描き出す海と光のSeascape

• Project/Area Number: 22H00557
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 吉澤 晋 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00553108)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩崎 渉 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50545019)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥40,820,000 (Direct Cost: ¥31,400,000、Indirect Cost: ¥9,420,000); Fiscal Year 2025: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2024: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000); Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
• Keywords: 海洋微生物 / メタゲノム / 微生物生態 / 光受容体 / 微生物海洋 / ロドプシン

Outline of Research at the Start

生命の活動エネルギーは基本的に全て太陽光に由来することから、生態系の把握には、『光エネルギーを「どの生物が?」「どのような機構で?」「どのくらい?」受容するか』の理解が必要不可欠である。本研究では、沿岸から外洋、深海から堆積物、北極から南極に至るまで幅広い環境で実施された海洋メタゲノムを大規模に集約・再解析することで遺伝子の全球分布を可視化できる「海洋微生物可視化プラットフォーム」を作成する。そして、『光受容体関連遺伝子の全球分布を可視化』及び異種発現機能解析から『光受容システムを解明』し、海洋微生物の光受容システムのSeascape(海風景)を描き出すことでその全貌解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、これまでに実施されたほぼ全ての海洋メタゲノムプロジェクトを集約・再アセンブル・再解析を行い、海洋微生物を全球レベルで比較可能なデータベースを構築する。構築したデータベースを用いて、海洋微生物の持つ光受容システム（ロドプシンや光合成に関連する遺伝子）の分布を網羅的に解析する。また、メタゲノム再構築ゲノム（MAG）から、各遺伝子を持つ生物種の特定を行い、上記解析結果と統合することで、海洋微生物の持つ光受容システムを全球レベルで可視化することを目指す。

本年度は、これまでの研究で開発した世界最大の海洋微生物ゲノムカタログ「OceanDNA MAGカタログ」およびカタログ作成に用いたメタゲノムデータを用いて、光合成関連遺伝子（pufM）および微生物型ロドプシンの分布の可視化をおこなった。pufM遺伝子をコードするMAGを網羅的に探索した結果、これまでに報告の無い分類群のゲノムにもpufM遺伝子が分布することが明らかになった。また、微生物型ロドプシンに含まれるPR（プロテオロドプシン）にカロテノイド色素が結合し、光捕集アンテナとして働くことを明らかにした。また、アミノ酸配列の解析から、光受容効率を向上させる光捕集アンテナを持つ可能性のあるPRが、海洋全域に広く分布することを示し、論文として発表した。PRはこれまで、レチナールが吸収可能な光しかエネルギーに変換できないと考えられていたが、光捕集アンテナが見つかったことで、これまで考えられていた以上に太陽光をエネルギーとして受容できることが示された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

海洋の表層環境に生息する原核生物の半数以上はロドプシンを持つと推定されている。本年度は、それらのロドプシンの一部は、光捕集を補助するカロテノイド色素と結合できることを明らかにした。上記成果を論文として発表したため、順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

昨年度に引き続き、「OceanDNA MAGカタログ」を用いて、ロドプシンおよびpufM遺伝子を保有するゲノムを対象に大規模系統解析を行い、光受容体を保有する細菌分類群を網羅的に明らかにする予定である。機能未知光受容体遺伝子が見つかった場合は、異種発現系を用いた機能解析を実施し、機能の解明を目指す。
また、ロドプシンに関しては、未知機能の探索以外にも、光捕集を補助するアンテナ色素の探索を実施する。具体的にはこれまでの研究での探索対象：H+輸送型ロドプシンだけでなく、他のイオン輸送型ロドプシンにまで拡張する。さらに2024年度は、海洋に広く分布するにも関わらず生態学的役割がほとんど分かっていない『クロロフレクサス門』に属する細菌に注目し、光受容体関連遺伝子の系統内における分布、環境中における分布の可視化を実施する。

Research Products

• [Journal Article] Identification of a Functionally Efficient and Thermally Stable Outward Sodium-Pumping Rhodopsin (<i>Be</i>NaR) from a Thermophilic Bacterium (2023)
  • Author(s): Kurihara Marie、Thiel Vera、Takahashi Hirona、Kojima Keiichi、Ward David M.、Bryant Donald A.、Sakai Makoto、Yoshizawa Susumu、Sudo Yuki
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 71 Issue: 2 Pages: 154-164
  • DOI: 10.1248/cpb.c22-00774
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Year and Date: 2023-02-01
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phototrophy by Antenna-Containing Rhodopsin Pumps in Aquatic Environments (2023)
  • Author(s): Chazan, Das, Fujiwara, Murakoshi, Rozenberg, Molina-Marquez, Sano, Tanaka, Gomez-Villegas, Larom, Pushkarev, Malakar, Hasegawa, Tsukamoto, Ishizuka, Konno, Nagata, Mizuno, Katayama, Abe-Yoshizumi, Ruhman, Inoue, Kandori, Leon, Shihoya, Yoshizawa, Sheves, Nureki, Beja
  • Journal Title: Nature Volume: 615 Issue: 7952 Pages: 535-540
  • DOI: 10.1038/s41586-023-05774-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distribution and survival strategies of endemic and cosmopolitan diazotrophs in the Arctic Ocean (2023)
  • Author(s): Shiozaki Takuhei、Nishimura Yosuke、Yoshizawa Susumu、Takami Hideto、Hamasaki Koji、Fujiwara Amane、Nishino Shigeto、Harada Naomi
  • Journal Title: The ISME Journal Volume: 17 Issue: 8 Pages: 1340-1350
  • DOI: 10.1038/s41396-023-01424-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conformational alterations in unidirectional ion transport of a light-driven chloride pump revealed using X-ray free electron lasers. (2022)
  • Author(s): Hosaka, T. et al.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 119 Issue: 9
  • DOI: 10.1073/pnas.2117433119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The OceanDNA MAG catalog contains over 50,000 prokaryotic genomes originated from various marine environments (2022)
  • Author(s): Nishimura Yosuke、Yoshizawa Susumu
  • Journal Title: Scientific Data Volume: 9 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41597-022-01392-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 光を使うのか？防ぐのか？微生物型ロドプシンと細胞内色素の関係 (2024)
  • Author(s): 吉澤晋
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
  • Invited
• [Presentation] 塩化物イオン輸送型ロドプシンが備える集光アンテナの検証 (2023)
  • Author(s): 藤原 敬允、長谷川 万純、川﨑 佑真、井上 圭一、吉澤 晋
  • Organizer: 第36回日本微生物生態学会
• [Presentation] The OceanDNA MAG Catalog: an Unprecedented-scale Genome Resource of Marine Prokaryotes (2022)
  • Author(s): Yosuke Nishimura and Susumu Yoshizawa
  • Organizer: The 12th Asian Symposium on Microbial Ecology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Light-utilization strategies with microbial rhodopsins in cyanobacteria (2022)
  • Author(s): Masumi Hasegawa, Toshiaki Hosaka, Keiichi Kojima, Yosuke Nishimura, Marie Kurihara, Yu Nakajima, Tomomi Kimura-Someya, Mikako Shirouzu, Yuki Sudo, Susumu Yoshizawa
  • Organizer: 18th International Society for Microbial Ecology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Does proteorhodopsin have any antenna mechanism? (2022)
  • Author(s): Takayoshi Fujiwara, Masumi Hasegawa, Keiichi Inoue, Susumu Yoshizawa
  • Organizer: 18th International Society for Microbial Ecology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海洋光合成細菌の全球的分布とそのゲノム進化 (2022)
  • Author(s): 西村 陽介, 塚谷 祐介, 河合 繁, 吉澤 晋
  • Organizer: 第35回日本微生物生態学会
• [Remarks] 地球全体に分布するロドプシン保有細菌の新たな光エネルギー獲得戦略
  • URL: https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2023/20230302.html
• [Remarks] 「微生物ダークマター」を解き明かす ―世界最大の海洋微生物ゲノムカタログ―
  • URL: https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2022/20220617.html