海洋細菌の光利用戦略ーアンテナ色素によるロドプシンの高効率な光受容機構の検証ー

• Project/Area Number: 22KJ1110
• Project/Area Number (Other): 22J22342 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 45040:Ecology and environment-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 藤原 敬允 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2024: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: カロテノイド色素 / ロドプシン / 海洋細菌 / 集光アンテナ / プロテオロドプシン

Outline of Research at the Start

本研究はレチナール色素を発色団として結合する微生物型ロドプシンが、カロテノイド色素を併用すること（集光アンテナ）で幅広い波長光を利用できるのか？を検証するものである。海洋細菌分離株を用いた培養実験、大腸菌を利用した異種発現システム、分光解析、色素解析を織り交ぜて行い、ロドプシンの集光アンテナの実証を試みる。

Outline of Annual Research Achievements

西部北太平洋から分離した海洋細菌Nonlabens marinus S1-08Tを対象とし、S1-08T株の持つ3種類のロドプシン（以下：NM-R1, 2, 3）のカロテノイド色素との結合能について調べた。大腸菌を用いた異種発現系を適用してロドプシンをHisタグにより精製し、S1-08T株の細胞懸濁液から抽出したカロテノイド色素を添加した。その後、再度精製し、吸収スペクトルを測定した。その結果、これらのロドプシンが全て、S1-08T株由来のカロテノイド色素と結合することを見出した。また、NM-R1, 3を対象にヒドロキシルアミンを用いてブリーチした結果、この2つのロドプシンは結合したカロテノイド色素と相互作用することを見出した。
これまでに発見された、カロテノイド色素も結合できるロドプシンは水素イオンを輸送するロドプシンのみである。NM-R1は水素イオン輸送型だが、NM-R3は塩化物イオン輸送型であるため、NM-R3と結合したカロテノイド色素は未知の相互作用をしている可能性がある。
次に、集光アンテナを塩化物イオン輸送型ロドプシンを備えるが多くの海洋細菌に共通する仕組みか否かを調べた。データベースより海洋細菌のPRのアミノ酸配列を取得し、系統樹を作成すると、S1-08株を含むBacteroidetes門、および海洋表層の優占種であるProteobacteria門のロドプシンは共通して集光アンテナを持つ上で必要なアミノ酸残基を保存することを見出した。これらの結果は、集光アンテナを塩化物イオン輸送型ロドプシンが幅広い海洋細菌に共通する仕組みであることを意味する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は予定通り、塩化物イオン輸送型ロドプシン、ナトリウムイオン輸送型ロドプシンがカロテノイド色素と結合すること、特に塩化物イオン輸送型ロドプシンが相互作用をすることを見出した。また、このようなロドプシンが海洋環境に幅広く分布することを見出した。

Strategy for Future Research Activity

NM-R3と結合したカロテノイド色素をHPLCを用いた解析により同定する。また、結合したカロテノイド色素の役割は不明であるため、励起スペクトル測定やCDスペクトル測定、構造解析などから機能を探る。

Research Products

• [Journal Article] Draft genome sequences of three rhodopsin possessing <i>Croceitalea</i> sp. strains, isolated from the sea surface microlayer in Japan (2024)
  • Author(s): Takada Mako、Jiang Chunqi、Sugai Youta、Hasegawa-Takano Masumi、Fujiwara Takayoshi、Tsukamoto Yuya、Nakajima Yu、Nishimura Yosuke、Yoshizawa Susumu
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 13 Issue: 3
  • DOI: 10.1128/mra.00038-24
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Widespread use of proton-pumping rhodopsin in Antarctic phytoplankton (2023)
  • Author(s): Andrew Sarah M.、Moreno Carly M.、Plumb Kaylie、Hassanzadeh Babak、Gomez-Consarnau Laura、Smith Stephanie N.、Schofield Oscar、Yoshizawa Susumu、Fujiwara Takayoshi、Sunda William G.、Hopkinson Brian M.、Septer Alecia N.、Marchetti Adrian
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 39
  • DOI: 10.1073/pnas.2307638120
  • 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
• [Presentation] 海洋細菌が保有する塩化物イオン輸送型ロドプシンの新たな光エネルギー獲得機構 (2023)
  • Author(s): 藤原敬允 , 長谷川万純 , 吉澤晋
  • Organizer: 亜熱帯・KUROSHIO 研究教育拠点の形成と展開事業 シンポジウム 奄美群島における総合知の探求 &#12316;環境、文化、教育の融合&#12316;
• [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: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] Does proteorhodopsin have any antenna mechanism? (2022)
  • Author(s): Takayoshi Fujiwara, Masumi Hasegawa, Keiichi Inoue, Susumu Yoshizawa
  • Organizer: 18th ISME
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海洋細菌の新たな光利用戦略 ―プロテオロドプシンが備える集光アンテナ― (2022)
  • Author(s): 藤原敬允, 長谷川万純, 塚本雄也, 吉澤晋
  • Organizer: 日本微生物生態学会第35回大会
• [Presentation] 海洋細菌が保有するロドプシンの集光アンテナの発見 (2022)
  • Author(s): 藤原敬允, 長谷川万純, 川﨑佑真, 井上圭一, 吉澤晋
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 南極海に広く分布する珪藻の新たな光利用戦略
  • URL: https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/topics/2023/20230918.html