高塩濃度?高アルカリ環境下に棲息する紅色硫黄細菌が行う光合成において重要な役割を担うタンパク質複合体の構造と光エネルギー転送効率を、クライオ電子顕微鏡観察と計算機解析により調べました。その結果、特殊なタンパク質複合体の構造が、エネルギー変換能力を向上させることが示唆されました。

　高塩濃度?高アルカリといった極限環境に適応して棲息する紅色硫黄細菌などの光合成硫黄細菌が行う光合成は、植物やシアノバクテリアとは異なり、硫化水素を使って太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換します。この過程では、光を集めるタンパク質複合体である光捕集2複合体（LH2）とコア光捕集反応中心複合体（LH1-RC）が重要な役割を果たしています。紅色硫黄細菌の一種であるHalorhodospira halophila（Hlr. halophila）は、LH2とLH1-RCが一体化しているかのように振る舞うことで、効率的に光合成を行なっていると考えられています。一方で、一般的な紅色非硫黄細菌ではLH2とLH1-RCの相互作用は弱いことが報告されており、この違いは謎に包まれていました。

　そこで、クライオ電子顕微鏡を用いて、Hlr. halophila由来のLH2、LH1-RCを含む試料溶液をアミノ酸レベルで観察しました。その結果、LH1-LH2、LH1-RCという複合体を形成しており、LH1構造の最小単位は、通常とは異なるポリペプチド鎖で構成されていること、さらに、このLH1構造が、LH2あるいはRCを取り囲んでいることが明らかになりました。また分子間のエネルギー移動計測実験から、このLH1-LH2複合体は、光エネルギー転送効率がほぼ100%であることも分かり、このようなタンパク質複合体の構造が、エネルギー変換能力を向上させていることが示唆されました。

　本研究成果は、多くの生物にとって有毒な硫化水素を硫黄に変換しながら、極限環境下でも高効率で光合成を行う細菌の仕組みを明らにするものです。これにより、太陽光エネルギーの有効活用や環境保全への応用が期待されます。

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プレスリリース

研究代表者

365体育投注計算科学研究センター
谷 一寿　教授

掲載論文

【題名】

A distinct double-ring LH1-LH2 photocomplex from an extremophilic phototroph
（極限環境下に棲息する紅色硫黄細菌由来の光捕集複合体LH1-LH2の二重リング構造）

【掲載誌】

Nature Communications

【DOI】

10.1038/s41467-024-55811-9

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