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食糧やエネルギー問題を解決するため、植物や藻類の「光合成の改良」は重要な課題である。現存の光合成生物は進化を遂げた局所環境に適応してプロトン駆動力によって「光エネルギーの効率的利用」と「過剰光からの防御」のバランスを調節している。本研究では、ゲノムスケール代謝モデル（GMM）の開発と光合成のシステム解析を行い、光合成をシステムとして統合理解することを目的とする。本計画班では、シアノバクテリアを実験材料に用い、光合成の素反応因子、環境に対する制御因子および光合成のメカニズム解明の成果を統合理解するシステムを開発し、光合成のシステム再最適化のための戦略立案を行うことを目的とする。また、各研究班の成果を盛り込んで光合成をシステムとして理解する道筋を明らかにする。
本年度は、シアノバクテリアSynechocystis sp. PCC6803野生株（GT）株の光合成および主要な代謝反応の情報を含み細胞全体を表現するゲノムスケールモデル（GMM）から予測された細胞の増殖や電子伝達機構について、変異株を用いて実験によりシミュレーションの妥当性を確認した。シミュレーションによって明らかになった各波長において重要に働くサイクリック電子伝達経路の違いについて遺伝子欠損株とその増殖特性を解析し、シミュレーションによる予測が実際に細胞レベルで確認された。また、13C同位体標識を利用した実験的代謝フラックス解析により細胞の炭素中枢代謝の状態を明らかにした。さらに、この結果より光化学系におけるATPやNADPHの生成を推定する方法を開発し、システムとしての理解を深めた。また、一次代謝にかかわる酵素反応の解析や排出される代謝物の解析を行い、光化学系と代謝の関係を明らかにした。また、光の有効利用と光からの防御機構について光化学系の電子伝達経路の使い分けをシミュレーションと実験により解析した。
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