長波長吸収型光合成への進化再現によるレッドエッジ変化の実験的検証

• 研究課題/領域番号: 19H02018
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17050:地球生命科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 塚谷 祐介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究プログラム), 副主任研究員 (10421843)
• 研究分担者: 藤島 皓介 東京工業大学, 地球生命研究所, 准教授 (00776411) ; 松村 茂祥 富山大学, 学術研究部理学系, 講師 (40619855)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円); 2021年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2020年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2019年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
• キーワード: 色素生合成 / 光合成 / バクテリオクロロフィル / バイオシグニチャー / クロロフィリド酸化還元酵素 / レッドエッジ / 近赤外光 / 光合成進化 / 酵素進化

研究開始時の研究の概要

ハビタブル惑星の探査対象として赤色矮星まわりの惑星が注目されており、そこでのバイオマーカーの観測が期待されている。バイオマーカーの１つである“レッドエッジ”は、光合成生物が光波長を吸収することによって起こる反射スペクトルであるが、実際に光合成生物が利用し得る光波長やその進化と対応した詳細な検討はされてこなかったのが問題である。本研究では、可視光利用型光合成から近赤外光利用型光合成への進化を実験的に再現・検証することで、吸収利用する波長帯の変化がどのように且つどれだけ速やかに起こるのかを明らかにすることを目指す。

研究成果の概要

可視光利用型光合成から近赤外光利用型光合成への進化は、クロロフィリド酸化還元酵素（COR）という色素生合成酵素内の進化でモデル化する。本研究では、この進化を駆動させるアミノ酸領域を同定するために、まずCORの立体構造を予測して、基質となる色素中間体の結合部位周辺のアミノ酸残基を選定し、COR構成遺伝子の複合変異ライブラリを作製した。変異DNAライブラリを形質転換した大腸菌株をマイクロドロップレット中に封入することでCORの発現と活性測定を行う。そのため、ドロップレット内におけるCOR活性試験の条件検討を進めた。またCORの前後で働くと考えられる色素色素生合成酵素についてもその機能解析を進めた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で確立した、または今後確立する実験系を複合することで試験管内進化した近赤外光型CORを摘出して、その進化発生の元となるアミノ酸変化を同定することが今後の課題である。これによって長波長吸収型光合成への進化を実験的に証明することができ、地球と同様の光質環境変化が見込まれる系外惑星においても同様の進化が起きることを示唆する。生命居住惑星の探索におけるバイオシグニチャー選定の際に重要な知見を提供することが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Incomplete Hydrogenation by Geranylgeranyl Reductase from a Proteobacterial Phototroph Halorhodospira halochloris, Resulting in the Production of Bacteriochlorophyll with a Tetrahydrogeranylgeranyl Tail (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsukatani Yusuke、Harada Jiro、Kurosawa Kanako、Tanaka Keiko、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Bacteriology 巻: 204 号: 3
  • DOI: 10.1128/jb.00605-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Allochromatium tepidum, sp. nov., a hot spring species of purple sulfur bacteria. (2022)
  • 著者名/発表者名: Madigan, M.T., Absher, J.N., Mayers, J.E., Asao, M., Jung, D.O., Bender, K.S., Kempher, M.L., Hayward, M.K., Sanguedolce, S.A., Brown, A.C., Takaichi, S., Kurokawa, K., Toyoda, A., Mori, H., Tsukatani, Y., Wang-Otomo, Z.Y., Ward, D.M., and Sattley, W.M.
  • 雑誌名: Archives of Microbiology 巻: 204 号: 1 ページ: 115-115
  • DOI: 10.1007/s00203-021-02715-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of light and oxygen on chlorophyll d biosynthesis in a marine cyanobacterium Acaryochloris marina. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuki Tsuzuki, Yusuke Tsukatani, Hisanori Yamakawa, Shigeru Itoh, Yuichi Fujita, and Haruki Yamamoto
  • 雑誌名: Plants 巻: 11 号: 7 ページ: 915-915
  • DOI: 10.3390/plants11070915
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chlorophyllide a oxidoreductase preferentially catalyzes 8‐vinyl reduction over B‐ring reduction of 8‐vinyl chlorophyllide a in late steps of bacteriochlorophyll biosynthesis (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Haruki、Mizoguchi Tadashi、Tsukatani Yusuke、Tamiaki Hitoshi、Kurisu Genji、Fujita Yuichi
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: - 号: 12 ページ: 1760-1766
  • DOI: 10.1002/cbic.201900785
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lycopene-Family Carotenoids Confer Thermostability on Photocomplexes from a New Thermophilic Purple Bacterium (2020)
  • 著者名/発表者名: Seto Ryuta、Takaichi Shinichi、Kurihara Toshiyuki、Kishi Rikako、Honda Mai、Takenaka Shinji、Tsukatani Yusuke、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Kimura Yukihiro
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 号: 25 ページ: 2351-2358
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00192
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusual features in the photosynthetic machinery of Halorhodospira halochloris DSM 1059 revealed by complete genome sequencing (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsukatani Yusuke、Hirose Yuu、Harada Jiro、Yonekawa Chinatsu、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 140 号: 3 ページ: 311-319
  • DOI: 10.1007/s11120-019-00613-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stereoselective C3-substituent modification and substrate channeling by oxidoreductase BchC in bacteriochlorophyll a biosynthesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Misato Teramura, Yusuke Tsukatani, Jiro Harada, Mitsuaki Hirose, Hitoshi Tamiaki
  • 雑誌名: FEBS Letters 巻: 593 号: 8 ページ: 799-809
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13372
  • 査読あり
• [雑誌論文] Blastochloris tepida, sp. nov., a thermophilic species of the bacteriochlorophyll b-containing genus Blastochloris (2019)
  • 著者名/発表者名: Madigan, M. T, Resnick, S. M., Kempher, M, L., Dolnalkova, A. C., Takaichi, S., Wang-Otomo, Z.-Y., Toyoda, A., Kurokawa, K., Mori, H. and Tsukatani, Y.
  • 雑誌名: Arch. Microbiol. 巻: 201 号: 10 ページ: 1351-1359
  • DOI: 10.1007/s00203-019-01701-4
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 海洋性シアノバクテリアAcaryochlorisにおけるクロロフィル d生合成の光および酸素依存性の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 都築侑季、塚谷祐介、山川壽伯、伊藤繁、藤田祐一、山本治樹
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会
• [学会発表] 好熱性光合成細菌Chloroflexus aurantiacusの光照射時における増殖様式と光合成タンパク質の発現機序 (2021)
  • 著者名/発表者名: 河合繁、島村繁、塚谷祐介
  • 学会等名: 第34回日本微生物生態学会年会
• [学会発表] 光合成生物の近赤外光利用型への進化再現 (2021)
  • 著者名/発表者名: 塚谷祐介
  • 学会等名: 第9回宇宙における生命ワークショップ
• [学会発表] 好塩性光合成細菌Halorhodospira halochlorisのゲラニルゲラニル還元酵素 (2020)
  • 著者名/発表者名: 塚谷祐介、原田二朗、田中圭子、民秋均
  • 学会等名: 日本ゲノム微生物学会
• [学会発表] クロロフィル色素の生合成酵素の多様性と進化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 塚谷祐介
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合
  • 招待講演
• [学会発表] クロロフィル色素の生合成系の進化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 塚谷祐介
  • 学会等名: 日本生化学会
  • 招待講演
• [図書] 光合成細菌 ―酸素を出さない光合成― (2020)
  • 著者名/発表者名: 編集：嶋田敬三、高市真一（執筆：浅井智広、井上和仁、大友征宇、嶋田敬三、高市真一、塚谷祐介、永島賢治、原田二朗、平石明）
  • 総ページ数: 320
  • 出版者: 裳華房
  • ISBN: 9784785358709