海洋生態系と太陽を繋ぐ新しい光エネルギーフローモデルの構築

• 研究課題/領域番号: 15H02800
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 環境動態解析
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉澤 晋 東京大学, 大気海洋研究所, 准教授 (00553108)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2017年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2016年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2015年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: 海洋微生物 / ロドプシン / 微生物生態 / 光エネルギー / 海洋細菌 / 海洋生態 / 細菌 / ゲノム

研究成果の概要

本研究では、ゲノムやメタゲノムデータ解析を通して、以下の成果を挙げた。
1. PR遺伝子を持つ海洋細菌の光適応戦略を明らかにした。2. 海洋細菌から見つかったNa+やCl-輸送型ロドプシンの立体構造解析から、イオン輸送機構を明らかにした。3. 様々な環境に存在する未知微生物型ロドプシンを見出し、その機能を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

地球表層の約７割を占める海洋で、どのような生物が、どのような機構を用いて太陽から光エネルギーを受容しているのか？一般的には、海洋表層に生息する植物プランクトンが光合成により光エネルギーを利用していると答えるのが常識である。しかしながら、近年の遺伝子解析手法の発展に伴い多くの海洋細菌がロドプシンを用いて太陽光からエネルギーを受け取っていることが分かってきた。本研究では、生態系を支えるエネルギー基盤である太陽光が、ロドプシンを通してどのように海洋生態系に流れ込むのかを明らかにするため、海洋細菌の持つロドプシンの網羅的探索および機能解析を実施し、複数の新規ロドプシンの機能を明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] University of Hawaii(米国)
• [国際共同研究] ハワイ大学(米国)
• [雑誌論文] Solar-panel and parasol strategies shape the proteorhodopsin distribution pattern in marine Flavobacteriia (2018)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Yohei、Yoshizawa Susumu、Nakajima Yu、Watanabe Mai、Fukunaga Tsukasa、Ogura Yoshitoshi、Hayashi Tetsuya、Oshima Kenshiro、Hattori Masahira、Ikeuchi Masahiko、Kogure Kazuhiro、DeLong Edward F.、Iwasaki Wataru
  • 雑誌名: The ISME Journal 巻: in press 号: 5 ページ: 1329-1343
  • DOI: 10.1038/s41396-018-0058-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Proteorhodopsin variability and distribution in the North Pacific Subtropical Gyre (2018)
  • 著者名/発表者名: Olson Daniel K.、Yoshizawa Susumu、Boeuf Dominique、Iwasaki Wataru、DeLong Edward F.
  • 雑誌名: The ISME Journal 巻: 12 号: 4 ページ: 1047-1060
  • DOI: 10.1038/s41396-018-0074-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopic characteristics of Rubricoccus marinus xenorhodopsin (RmXeR) and a putative model for its inward H+ transport mechanism (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue Saki、Yoshizawa Susumu、Nakajima Yu、Kojima Keiichi、Tsukamoto Takashi、Kikukawa Takashi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 20 号: 5 ページ: 3172-3183
  • DOI: 10.1039/c7cp05033j
  • 査読あり
• [雑誌論文] Implications for the light-driven chloride ion transport mechanism of Nonlabens marinus rhodopsin 3 by its photochemical characteristics (2017)
  • 著者名/発表者名: *Tsukamoto T, Yoshizawa S, Kikukawa T, Demura M, *Sudo Y.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 121 号: 9 ページ: 2027-2038
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b11101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An inhibitory role of Arg-84 in anion channelrhodopsin-2 expressed in Escherichia coli (2017)
  • 著者名/発表者名: Doi S, Tsukamoto T, Yoshizawa S, & *Sudo Y.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 41879-41879
  • DOI: 10.1038/srep41879
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A phylogenetically distinctive and extremely heat stable light-driven proton pump from the eubacterium Rubrobacter xylanophilus DSM 9941T (2017)
  • 著者名/発表者名: Kanehara K, Yoshizawa S, Tsukamoto T, *Sudo Y.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 44427-44427
  • DOI: 10.1038/srep44427
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Draft Genome Sequences of Tersicoccus phoenicis DSM 30849T, Isolated from a Cleanroom for Spacecraft Assembly, and Tersicoccus sp. Strain Bi-70, Isolated from a Freshwater Lake (2017)
  • 著者名/発表者名: Yu Nakajima, Susumu Yoshizawa, Keiji Nakamura, Yoshitoshi Ogura, Tetsuya Hayashi and Kazuhiro Kogure
  • 雑誌名: Genome announcements 巻: 5 号: 13
  • DOI: 10.1128/genomea.00079-17
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural mechanism for light-driven transport by a new type of chloride ion pump, Nonlabens marinus rhodopsin-3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Hosaka, Susumu Yoshizawa, Yu Nakajima, Noboru Ohsawa, Masakatsu Hato, Edward F. DeLong, Kazuhiro Kogure, Shigeyuki Yokoyama, Tomomi Kimura-Someya, Wataru Iwasaki and Mikako Shirouzu
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 291 号: 34 ページ: 17488-17495
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.728220
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 微生物型ロドプシンの多様な機能 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 雑誌名: 光合成研究 巻: 26 ページ: 149-154
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional and Photochemical Characterization of a Light-Driven Proton Pump from the Gammaproteobacterium Pantoea vagans. (2016)
  • 著者名/発表者名: Sudo Y, Yoshizawa S.
  • 雑誌名: Photochem. Photobiol. 巻: in press 号: 3 ページ: 420-427
  • DOI: 10.1111/php.12585
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump (2015)
  • 著者名/発表者名: H. E. Kato, K. Inoue, R. Abe-Yoshizumi, Y. Kato, H. Ono, M. Konno, S. Hososhima, T. Ishizuka, M. R. Hoque, H. Kunitomo, J. Ito, S. Yoshizawa, K. Yamashita, M. Takemoto, T. Nishizawa, R. Taniguchi, K. Kogure, A. D. Maturana, Y. Iino, H. Yawo, R. Ishitani, H. Kandori*, O. Nureki*
  • 雑誌名: Nature 巻: 未定 号: 7550 ページ: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] A “photo”heterotrophic lifestyle of rhodopsin-containing bacteria (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: Ocean University of China-The University of Tokyo Marine Microbiology Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microbial rhodopsin: a photoreceptor protein found in any environment where water exists and light reaches (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: Joint Symposium on Ocean, Coastal, and Atmospheric Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微生物型ロドプシン：光利用機構の多様性は我々に何を語るのか？ (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: 生命科学系学会合同年次大会(ConBio2017)
  • 招待講演
• [学会発表] NGSが解き明かす海洋微生物の新しい光エネルギー利用機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: NGS現場の会第五回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 海洋微生物のロドプシンを用いた新しい光エネルギー利用機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: 第１７回東京大学生命科学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] ウイルスによるロドプシン遺伝子の水平伝播 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: 第31回日本微生物生態学会
  • 発表場所: 横須賀市文化会館（神奈川県・横須賀市）
  • 年月日: 2016-11-23
  • 招待講演
• [学会発表] ミッション：機能未知遺伝子の正体を暴け！ (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: ゲノム時代の海洋生物学の展望
  • 発表場所: 大気海洋研究所講堂（千葉県・柏市）
  • 年月日: 2016-11-02
• [学会発表] A new light-driven H+ pumping rhodopsin is plant-associated Gammaproteobacterium “Pantoea vagans” (2016)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa and Yuki Sudo
  • 学会等名: 16th International Society for Microbial Ecology
  • 発表場所: Montreal (Canada)
  • 年月日: 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] 光あるところにロドプシンあり：水圏微生物の新しい光エネルギー利用機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: 第一回水圏微生物研究フォーラム
  • 発表場所: 大気海洋研究所講堂（千葉県・柏市）
  • 年月日: 2016-08-09
• [学会発表] ロドプシンで太陽エネルギーを利用する-光駆動型イオンポンプ- (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: 第８９回日本細菌学会総会
  • 発表場所: 大阪国際交流センター（大阪府・大阪市）
  • 年月日: 2016-03-23
  • 招待講演
• [学会発表] プロテオロドプシン保有発光細菌における発光量の調節 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中島悠, 吉澤, 木暮一啓
  • 学会等名: 第38回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 神戸ポートピアアイランド（兵庫県・神戸市）
  • 年月日: 2015-12-01
• [学会発表] プロテオロドプシンを持つ海洋細菌の有光層への適応に寄与する２つの遺伝子、SbtAとDUF2237 (2015)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 洋平, 吉澤 晋, 福永 津嵩, 渡辺 麻衣, 池内 昌彦, 小椋 義俊, 林 哲也, 木暮 一啓, 岩崎 渉
  • 学会等名: 第30回日本微生物生態学会
  • 発表場所: 土浦亀城プラザ（茨城県・土浦市）
  • 年月日: 2015-10-22
• [学会発表] ゲノム駆動型の未知遺伝子の機能解析 -プロテオロドプシンとDUF2237を例として- (2015)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 洋平, 吉澤 晋, 木暮 一啓, 岩崎 渉
  • 学会等名: 生命情報科学若手の会第７回研究会
  • 発表場所: 慶應義塾大学鶴岡タウンキャンパス（山形県・鶴岡市）
  • 年月日: 2015-10-01
• [学会発表] Physiological advantage of bacteira possessing multiple rhodopsins (2015)
  • 著者名/発表者名: Yu Nakajima, Susumu Yoshizawa, Kazuhiro Kogure
  • 学会等名: 14th Aquatic Microbial Ecology (SAME14)
  • 発表場所: Uppsala, Sweden
  • 年月日: 2015-08-23
  • 国際学会
• [学会発表] プロテオロドプシンを持つ海洋性フラボバクテリアのゲノム比較から、新規の光利用関連遺伝子を探る (2015)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 洋平, 吉澤 晋, 福永 津嵩, 渡辺 麻衣, 池内 昌彦, 小椋 義俊, 林 哲也, 木暮 一啓, 岩崎 渉
  • 学会等名: NGS現場の会第四回研究会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2015-07-01
• [備考] 光を利用するか、それとも避けるか？ ～海洋細菌の二種類の光適応戦略の解明～
  • URL: http://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2018/20180206.html
• [備考] 海洋細菌由来新規ロドプシンによる、光によってナトリウムイオンを細胞外へと運び出す仕組みの解明
  • URL: http://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/topics/2015/20150515.html