Analysis of the molecular evolution of photosynthetic CO2-fixing pathway

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K22281
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: Ashida Hiroki 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: 光合成 / CO2固定 / ルビスコ / アーキア

Outline of Final Research Achievements

The Calvin cycle is a primary metabolic pathway for CO2-fixing in plants, algae, and cyanobacteria. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) is the CO2-fixing enzyme in the Calvin cycle. Methanogenic archaea are not photosynthetic organisms but possess a unique CO2-fixing cycle which is composed of partial steps including RuBisCO catalyzing step from the Calvin cycle and Ribulose monophosphate pathway. Therefore, the methanogenic archaeal CO2-fixing pathway is thought to be a primitive metabolism of the photosynthetic Calvin cycle. In order to study molecular evolution of the Calvin cycle, we analyzed enzymatic properties of RuBisCO in this CO2-fixing pathway. Methanogenic archaeal RuBisCO shows very low maximum reaction rate for the carboxylase reaction and CO2/O2 relative specificity factor, as compared with photosynthetic RubisCOs.

Free Research Field

光合成炭素代謝

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

光合成は、エネルギー生産を行う、地球上の生物にとって必須の生物機能である。しかしながら、生物進化の過程で、光合成がどのように確立されてきたのか未だ解明されておらず、光合成研究者、進化学研究者の興味を大いに惹いてきた。本研究において、光合成炭素代謝の進化的原型と考えられているメタン生成アーキアの経路でCO2固定反応を行うリブロースビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼの酵素特性を明らかにした。この研究成果は、光合成の進化や獲得を考える上で、重要な情報を提供する。