地球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創出

• 研究課題/領域番号: 18H04136
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分63:環境解析評価およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉澤 晋 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00553108)
• 研究分担者: 岩崎 渉 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50545019)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 39,520千円 (直接経費: 30,400千円、間接経費: 9,120千円); 2021年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円); 2020年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円); 2019年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2018年度: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円)
• キーワード: 微生物生態 / 海洋微生物 / ロドプシン / 光エネルギー / メタゲノム / 光従属栄養 / カロテノイド / 海洋細菌

研究成果の概要

本研究では、大規模に微生物のゲノム・メタゲノム・トランスクリプトームのデータを収集・解析を行うことで、バクテリアだけでなく、真核微生物や巨大ウイルスの持つ未知ロドプシンを探索し、その機能を明らかにした。さらに、ロドプシン遺伝子の分子系統及び分布を大規模に可視化した。また、ロドプシン遺伝子は保有するがレチナール生合成経路の遺伝子を保有しない微生物分離株を用いて、未知のレチナール生合成経路が存在する可能性を示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

地球上に生息するほぼ全ての生物は太陽光に由来するエネルギーを使って生命活動を行なっている。一般的に、太陽光を生態系に流す窓口になる生物は光合成システムを保有し酸素発生型光合成を行う生物である。しかしながら、2000年に海洋微生物から微生物型ロドプシンが発見され、これまで光を全く受容しないと考えられていた微生物も太陽光を利用していることが示された。本研究では、ロドプシ遺伝子の探索および機能解析対象をバクテリアだけでなく真核微生物や巨大ウイルスまで拡張することで、生態系における光エネルギー利用の概念に新たな１ページを書き加えた。

研究成果

• [国際共同研究] Stanford University/University of Hawaii/Monterey Bay Aquarium Research Institute(米国)
• [国際共同研究] The Chinese University of Hong Kong(中国)
• [雑誌論文] Conformational alterations in unidirectional ion transport of a light-driven chloride pump revealed using X-ray free electron lasers. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hosaka, T. et al.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 119 号: 9
  • DOI: 10.1073/pnas.2117433119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diversity and Composition of Microbial Communities in an Eelgrass (<i>Zostera marina</i>) Bed in Tokyo Bay, Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Iqbal Md Mehedi、Nishimura Masahiko、Haider Md. Nurul、Sano Masayoshi、Ijichi Minoru、Kogure Kazuhiro、Yoshizawa Susumu
  • 雑誌名: Ｍｉｃｒｏｂｅｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ 巻: 36 号: 4 ページ: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME21037
  • NAID: 130008103593
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional expression of the eukaryotic proton pump rhodopsin OmR2 in Escherichia coli and its photochemical characterization (2021)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi Masuzu、Kojima Keiichi、Nakao Shin、Yoshizawa Susumu、Kawanishi Shiho、Shibukawa Atsushi、Kikukawa Takashi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 14765-14765
  • DOI: 10.1038/s41598-021-94181-w
  • NAID: 120007147387
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A unique clade of light-driven proton-pumping rhodopsins evolved in the cyanobacterial lineage (2020)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Masumi、Hosaka Toshiaki、Kojima Keiichi、Nishimura Yosuke、Nakajima Yu、Kimura-Someya Tomomi、Shirouzu Mikako、Sudo Yuki、Yoshizawa Susumu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 16752-16752
  • DOI: 10.1038/s41598-020-73606-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bacterium Lacking a Known Gene for Retinal Biosynthesis Constructs Functional Rhodopsins (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Yu、Kojima Keiichi、Kashiyama Yuichiro、Doi Satoko、Nakai Ryosuke、Sudo Yuki、Kogure Kazuhiro、Yoshizawa Susumu
  • 雑誌名: Microbes and Environments 巻: 35 号: 4 ページ: n/a-n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.me20085
  • NAID: 130007950468
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lokiarchaeota archaeon schizorhodopsin-2 (LaSzR2) is an inward proton pump displaying a characteristic feature of acid-induced spectral blue-shift (2020)
  • 著者名/発表者名: Kojima Keiichi、Yoshizawa Susumu、Hasegawa Masumi、Nakama Masaki、Kurihara Marie、Kikukawa Takashi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 20857-20857
  • DOI: 10.1038/s41598-020-77936-9
  • NAID: 120006955824
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vectorial Proton Transport Mechanism of RxR, a Phylogenetically Distinct and Thermally Stable Microbial Rhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: Kojima Keiichi、Ueta Tetsuya、Noji Tomoyasu、Saito Keisuke、Kanehara Kanae、Yoshizawa Susumu、Ishikita Hiroshi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41598-019-57122-2
  • NAID: 120006884916
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A distinct lineage of giant viruses brings a rhodopsin photosystem to unicellular marine predators (2019)
  • 著者名/発表者名: Needham David M.、Yoshizawa Susumu、Hosaka Toshiaki et. al.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 号: 41 ページ: 20574-20583
  • DOI: 10.1073/pnas.1907517116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cortical layer?specific critical dynamics triggering perception (2019)
  • 著者名/発表者名: Marshel James H.、Kim Yoon Seok、Machado Timothy A.、Quirin Sean、Benson Brandon、Kadmon Jonathan、Raja Cephra、Chibukhchyan Adelaida、Ramakrishnan Charu、Inoue Masatoshi、Shane Janelle C.、McKnight Douglas J.、Yoshizawa Susumu、Kato Hideaki E.、Ganguli Surya、Deisseroth Karl
  • 雑誌名: Science 巻: 365 号: 6453
  • DOI: 10.1126/science.aaw5202
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photochemical Characterization of a New Heliorhodopsin from the Gram-Negative Eubacterium Bellilinea caldifistulae (BcHeR) and Comparison with Heliorhodopsin-48C12 (2019)
  • 著者名/発表者名: Shibukawa A, Kojima K, Nakajima Y, Nishimura Y, Yoshizawa S, Sudo Y
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 58(26) 号: 26 ページ: 2934-2943
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.9b00257
  • NAID: 120006847070
  • 査読あり
• [雑誌論文] Repeated Evolutionary Transitions of Flavobacteria from Marine to Non‐Marine Habitats (2019)
  • 著者名/発表者名: Hao Zhang, Susumu Yoshizawa, Ying Sun, Yongjie Huang, Xiao Chu, Jose M. Gonzalez, Jarone Pinhassi, Haiwei Luo
  • 雑誌名: Environmental Microbiology 巻: 21 号: 2 ページ: 648-666
  • DOI: 10.1111/1462-2920.14509
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Amylibacter kogurei sp. nov., a novel marine alphaproteobacterium isolated from the coastal sea surface microlayer of a marine inlet (2018)
  • 著者名/発表者名: Wong Shu-Kuan、Yoshizawa Susumu、Nakajima Yu、Cuadra Marie Johanna、Nogi Yuichi、Nakamura Keiji、Takami Hideto、Ogura Yoshitoshi、Hayashi Tetsuya、Chiura Hiroshi Xavier、Hamasaki Koji
  • 雑誌名: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 巻: 68 号: 9 ページ: 2872-2877
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.002911
  • 査読あり
• [雑誌論文] Draft Genome Sequence of Saccharospirillum sp. Strain MSK14-1, Isolated from Surface Seawater Collected at Aburatsubo Inlet in Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: 5.Masumi Hasegawa, Yu Nakajima, Shu-Kuan Wong, Keiji Nakamura, Yoshitoshi Ogura, Tetsuya Hayashi, Kazuhiro Kogure and Susumu Yoshizawa
  • 雑誌名: Genome announcements 巻: 6 号: 22
  • DOI: 10.1128/genomea.00469-18
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 微生物と光の関係を紐解く！ (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉澤晋
  • 学会等名: 「第七回極低放射能技術」研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 海洋性細菌のCl－ポンプロドプシンにおける波長制御メカニズムの変異体解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 永田崇、烏山昌幸、中島悠、吉澤晋、竹内一郎、井上圭一
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第46回討論会
• [学会発表] シアノバクテリアの光合成とは異なる光利用:シアノロドプシンの発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長谷川万純、保坂俊彰、小島慧一、西村陽介、中島 悠、染谷友美、 白水美香子、須藤雄気、吉澤晋
  • 学会等名: 日本地球化学会第67回年会
• [学会発表] Host leaf age shapes the phyllosphere microbiomes of eelgrass (Zostera marina) (2020)
  • 著者名/発表者名: Rocky Md. Mehedi Iqbal, Nishimura Masahiko and Yoshizawa Susumu
  • 学会等名: ISME virtual microbial ecology summit
  • 国際学会
• [学会発表] Marine biodiversity: Light utilization of microbes & eDNA researchUTokyo (2019)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: NTU Joint Conference 2019 --Co-creating the Future Society in Asia--
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microbial rhodopsin: a photoreceptor protein found in all environments where light reaches, and water is present (2019)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: The 3rd Joint Symposium on Integrated Biosciences between Zhejiang University and the University of Tokyo
  • 国際学会
• [学会発表] 光シグナルを出す？見る？利用する？ (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤 晋
  • 学会等名: 共生起源研究会
  • 招待講演
• [学会発表] メタゲノム中のダークマター機能性遺伝子の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤晋, 西村陽介, 岩崎渉
  • 学会等名: 第32回日本微生物生態学会
  • 招待講演
• [学会発表] 光を使うか、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 (2019)
  • 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: 第32回日本微生物生態学会
  • 招待講演
• [学会発表] 網羅的なロドプシン系統解析から理解する微生物の進化と生態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村 陽介, 吉澤 晋
  • 学会等名: 第32回日本微生物生態学会
• [学会発表] 色と遺伝子で紐解く微生物の光コミュニケーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉澤晋
  • 学会等名: 第2回若手シンポジウム（新学術領域研究「化学コミュニケーションのフロンティア」）
  • 招待講演
• [学会発表] Light-adaptation strategies of marine Flavobacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa, Yohei Kumagai, Kazuhiro Kogure and Wataru Iwasaki
  • 学会等名: 1st International Conference on Marine Flavobacteria
  • 国際学会
• [学会発表] A haloarchaeal halorhodopsin-Like Cl- Pump in Marine Bacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa, Yu Nakajima and Kazuhiro Kogure
  • 学会等名: 17th International Society for Microbial Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] To use light or to avoid it? Light-adaptation strategies in marine bacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
• [学会発表] レチナール生産遺伝子(blh)はロドプシン保有細菌に必須か？ (2018)
  • 著者名/発表者名: 中島悠, 土井聡子, 小島慧一, 須藤雄気, 木暮一啓, 吉澤晋
  • 学会等名: 第32回日本微生物生態学会
• [学会発表] ロドプシンが織りなす“複雑なタペストリー” (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉澤晋
  • 学会等名: 第25回日本微生物資源学会
  • 招待講演
• [学会発表] ロドプシン保持細菌の例から考える、光従属栄養性のメリットとデメリット (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉澤晋
  • 学会等名: 2018年度第３回光合成細菌ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 光を使うか、それとも避けるか？海洋性フラボバクテリアの光適応戦略 (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Yoshizawa, Yohei Kumagai, Kazuhiro Kogure and Wataru Iwasaki
  • 学会等名: 第32回日本微生物生態学会
• [学会発表] Physiological roles of synechocystis halorhodopsin (SyHR) in freshwater cyanobacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: Masumi Hasegawa, Kaisei Maeda, Masahiko Ikeuchi, Susumu Yoshizawa
  • 学会等名: 第32回日本微生物生態学会
• [備考] 光でイオンを輸送する膜タンパク質の巧妙な仕組み
  • URL: https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2022/20220228.html
• [備考] 光合成微生物“シアノバクテリア”の新たな光エネルギー利用機構 ーシアノロドプシンの発見ー
  • URL: https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/topics/2020/20201030.html