淡水でも光合成ができる紅色硫黄細菌の働きを解明―高効率の太陽光エネルギー利用や環境保全への利用に期待：筑波大学
(2024年2月19日発表)
筑波大学計算科学研究センターの谷 一寿（たに かずとし）教授の研究グループは2月19日、カルシウム成分の少ない淡水の環境でも光合成をする常温菌の働きを解明したと発表した。太陽光エネルギーの高効率な利用や、硫化水素を含む排水処理などにも活用できる。
植物の光合成が酸素を発生するのとは違って、光合成細菌による光合成は酸素のない環境で二酸化炭素や硫化水素を使って効率よく太陽光エネルギーを化学エネルギー（電子）に変える。
光合成細菌の一つである紅色硫黄細菌の多くは、生育上カルシウム成分が必要なためミネラルの豊富な温泉や海水などにすんでいる。ところがごく一部の細菌はカルシウムの少ない軟水でも生息している。
このような光合成細菌は、光を電子に変換するたんぱく質複合体（LH1-RC）が独自の進化をしたことが知られているものの、カルシウムイオンとの関係や高効率で安定な光合成をする仕組みは謎だった。
研究チームは、筑波大学と沖縄科学技術大学院大学の所有する極低温のクライオ電子顕微鏡を使って、常温菌のたんぱく質複合体の立体構造の解明に取り組んだ。そこで一部だけがカルシウムイオンと結合するタイプを見つけた。
よく似た好熱菌は光を集めるアンテナたんぱく質16個全てにカルシウムイオンが結合しているが、常温菌では6個だけが結合しており、このカルシウムイオンは生育時に取り込まれたと考えられる。
結合位置付近のアミノ酸配列には複数のパターンがあり、それによってカルシウムイオンが結合できるかどうかが決まっていることを明らかにした。
カルボキシル末端の領域は明確にできたが、常温菌では熱揺らぎのために立体構造は見られなかった。また高温ではカルシウムイオンがないとたんぱく質の安定が損なわれることも実験で分かった。
こうして淡水にすむ紅色硫黄細菌の光捕集複合体にカルシウムイオンが結合している様子を捉え、保存されたアミノ酸配列のパターンを見つけた。
紅色硫黄細菌はこの特徴をうまく取り入れて淡水でも微量のカルシウムと結合して光合成を行い、効率的に生き残れるように進化してきたと考えられる。
紅色硫黄細菌を高温でも耐えられるように遺伝子改変、導入すれば、生物工学的に効率と安定性が向上できる。硫化水素を含む排水処理などにも広く活用できると期待している。
