Analysis of the molecular evolution of photosynthetic CO2-fixing pathway

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K22281
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 蘆田 弘樹 神戸大学, 人間発達環境学研究科, 准教授 (50362851)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: RuBisCO / アーキア

Outline of Annual Research Achievements

進化的に光合成生物よりも前に出現したと考えられている光合成を行わないアーキア、特にメタン生成アーキアが有する光合成カルビンサイクルの進化的原型代謝回路の解析を行うため、今年度は、この進化的原型代謝回路でCO2固定反応を触媒するRuBisCOの酵素学的特性を解析した。メタン生成アーキアRuBisCOの大腸菌リコンビナントタンパク質発現系を構築し、大腸菌での発現に成功した。さらに、融合タグを利用してアフィニティー精製を行い、SDS-PAGEにおいてシングルバンドとなるまで精製を進めた。この精製RuBisCOのCO2固定反応触媒能の有無を解析した結果、触媒能を示したことから、このRuBisCOの大腸菌での機能発現に成功していることが確認できた。精製したメタン生成アーキアのRuBisCOを用いて、CO2固定反応であるカルボキシラーゼ反応の最大反応速度とCO2に対するミカエリス・メンテン定数を測定した。その結果、カルボキシラーゼ最大反応速度は、他の光合成生物RuBisCOと比較して、1/50から1/10と非常に低いことが分かった。一方、CO2に対するミカエリス・メンテン定数は、光合成細菌やシアノバクテリアのものよりも低く、真核光合成生物のものよりも高いことが明らかになった。つまり、メタン生成アーキアRuBisCOのCO2親和性は、原核光合成生物のものよりも高く、真核光合成生物のものよりも低く、これらの中間的な性質を有していることが分かった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究の概要に記載したように、本研究の目的であるアーキアにおける光合成カルビンサイクルの進化的原型代謝回路の鍵酵素であるRuBisCOの酵素特性を明らかにしたことから、おおむね順調に進展していると自己評価した。

Strategy for Future Research Activity

初年度であった今年度の成果として、メタン生成アーキアの光合成カルビンサイクル進化的原型代謝回路で機能するRuBisCOの最大反応速度とCO2に対するミカエリス・メンテン定数を明らかにした。今年度は、RuBisCOのもう一つの重要な酵素パラメータであるCO2/O2反応比特異性係数を解析し、これを他の光合成RuBisCOのものと比較することで、RuBisCOの分子進化および光合成カルビンサイクルの進化を解析する。また、メタン生成アーキアの光合成カルビンサイクル進化的原型代謝回路のメタボローム解析を行うことにより、この回路の生体内での機能を解析し、光合成カルビンサイクルとの機能的関連性を解析する。

Causes of Carryover

（次年度使用額が生じた理由）
進行している2つの研究項目のうち、１つの研究項目が予想よりもよく進展し、また研究目的に対する重要度が高かったため優先した結果、他項目で使用予定であった額が次年度使用額として生じた。しかしながら、全体の研究の進行が遅れた訳ではない。
（使用計画）
全研究項目を予定通り進めるとともに、本年度の研究計画を遂行する。