光合成研究
第20巻

第	
 2号（通巻58号）2010年8月

NEWS LETTER Vol. 20 NO. 2 August 2010
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH
トピックス
	

トピックス

ゲノム世代のタンパク質複合体解析

高林 厚史（北大） 	

	

 60
光合成微生物は資源・エネルギー分野で人類に貢献できるか？
―生産性を規定する諸要因の分析―	

小俣 達男、藤田 祐一、前田 真一（名大）	

	

 65
研究紹介 炭素安定同位体法を用いた葉内CO2コンダクタンスの測定			

田副 雄士（京大）	

	

 72
解説特集「光合成細菌 ―研究材料としての魅力―」	

	

	

 77
序文
	

永島 賢治（首都大東京）	

	

 78
解説 光合成細菌を利用する研究の今後を考える	

嶋田 敬三（首都大東京）	

	

 79
解説 光栄養細菌の多様性	−ゲノムおよびメタゲノム解析から見えてきたもの−	

平石 明（豊橋技術科学大）	

	 84
解説 巨大アンテナ系クロロソームを構成するバクテリオクロロフィル分子：	

その生合成の解明と今後の展開
	原田 二朗（久留米大）、大岡 宏造（阪大）、民秋 均（立命館大）	

	

 93
解説 緑色硫黄細菌の非循環型の光合成電子伝達系
	

塚谷 祐介（ペンシルバニア州立大）、浅井 智広、大岡 宏造（阪大）	

	

 100
解説 紅色光合成細菌における光捕集タンパク質の多様性
	大友 征宇（茨城大）	

	

 109
報告記事 第1回日本光合成学会年会およびシンポジウム開催報告	

	

	

	

小林 正美（筑波大）、西田 生郎（埼玉大）	

	

 118
報告記事 第1回日本光合成学会シンポジウムポスター賞受賞者	

	

	

 120
報告記事 日本光合成学会「若手の会」活動報告ならびに第3回セミナー開催のお知らせ	

成川 礼（東大）	

	

 121
報告記事 第2回光合成学会若手の会セミナーに参加して	

渡部 和幸（京大）	

	

 122
集会案内 第2回日本光合成学会年会およびシンポジウム開催予告		

 123
集会案内 第70回分子科学国際研究会「光合成によるエネルギー変換機構の分子レベルでの解明と将来の展望」の案内および演題募集・事前参加登録のお知らせ
	

	

 124
事務局からのお知らせ		

 124
日本光合成学会会員入会申込書	

	

 125
日本光合成学会会則	

	

 	

	

 126
幹事会名簿	

	

 	

	

 128
編集後記	

	

 	

	

 129
記事募集	

	

 	

	

 129
日本光合成学会 会員名簿	

	

 	

	

 130
賛助法人会員広告光合成研究 20 (2) 2010

TOPICS
ゲノム世代のタンパク質複合体解析
北海道大学 低温科学研究所
高林
1. はじめに厚史*

合体のサブユニット組成を明らかにするための筆者自筆者は 4 回生として研究室に所属して以来、タンパ

身の２つのプロジェクトの結果を踏まえて、「ゲノム

ク質複合体の解析に携わってきた。振り返ってみる世代的な」タンパク質複合体解析について考察する。

と、LC-MS/MS解析がこの分野に及ぼした影響は大きいと改めて感じている。

NDH複合体について

LC-MS/MS解析の大きな利点としては、1)サンプルが筆者のこれまでの主な研究対象は葉緑体のN D H複

微量であってもタンパク質が同定できること、2) 複数合体である。これは葉緑体ゲノムコードの11のサブユのタンパク質が混ざっているサンプルを解析に用いてニット(ndhA-ndhK)と核ゲノムコードのサブユニット

も、そのタンパク質群の網羅的な同定が可能であるこ群から構成される巨大な複合体であるが、研究を始めと、の2点が挙げられる。

た当時（1997年）には核ゲノムコードのサブユニット

一般にモデル植物は、ゲノムサイズが小さい、ライ群は見つかっておらず、その同定は大きな懸案であっフサイクルが短い、サイズが小さく栽培が容易、形質た。

転換が容易、近縁種に重要な作物がある、などの利点を持っている。その一方で、生化学的な精製材料にはC 4 植物のアマランサスを用いたN D H複合体の分離・適していないと考えられていた。しかしLC-MS/MS解精製（1999年〜2003年）

析が利用できればその欠点は克服可能であるため、タ

まず葉緑体単離と材料の入手が容易なホウレンソウ

ンパク質の複合体解析の分野でも、モデル植物の利点を材料として、N D H複合体を精製しようと試みた。

を生かした多角的なアプローチが、より強力なものとしかし、予備実験の結果、N末端解析に十分な量を確なってきた。

保するのが難しいと判断した。そこで、実験材料を変タンパク質は１つ１つに個性があり解析のマニュアえることにした。

ル化が難しいことから、筆者の世代は諸先輩方と比べ

N D H複合体の蓄積量はC 4 植物で多いことが知られると生化学が苦手な印象がある。その一方で、変異株ている1)。筆者はC4植物の中でも葉肉細胞でNDHが高を利用した遺伝学的な解析や分子生物学的な手法 /蓄積するNAD-ME型植物1)がNDH精製の材料としては

ツール、データベース解析等の利用には積極的であ

理想的ではないかと考えた。そこで目を付けたのがアる。

マランサスである。アマランサスはNAD-ME型のC4植

本稿の前半では筆者自身の研究を振り返りながら、物であり、葉野菜として市場に出回っているため、精「ゲノム世代的な」タンパク質複合体解析について考製材料として優れていると判断した。

えてみたい。また本稿の後半では、タンパク質複合体

まず、指導して頂いていた京都大学大学院・遠藤剛

解析にとって有用な技術であるBlue Native PAGE (BN-先生の車で農協に行き、毎回12kgのアマランサスの葉

PAGE)の実践的なTipsを紹介する。

を購入した。そして研究室に戻るとすぐに葉緑体を単離し、タンパク精製を試みた。

2. ゲノム世代のタンパク質複合体解析とは？

様々な試行錯誤を行ったが、最終的な実験条件は以

ここでは、葉緑体NAD(P)H Dehydrogenase (NDH)複* 連絡先

下の通りである。まず、マイルドな界面活性剤である

E-mail: takabayashi@pop.lowtem.hokudai.ac.jp60

光合成研究n-Dodecyl-beta-D-maltoside（DM)でNDH複合体を可溶

IIデータベース(http://atted.jp/)を利用させて頂いた。

化し、カラムクロマトグラフィで粗精製した。次に、複合体を20 (2) 2010

２つの手法で選抜した候補遺伝子群について、 T -で分離し、nitroblue

DNA挿入変異株ラインを入手しNDH活性を測定した

tetrazolium chloride (NBT)で活性染色を行った。最後

結果、幸運にも高確率でN D H活性を失った変異株ラに、染色されたバンドを切り出してSDS-PAGEを行っ

インが存在した。さらに、それらN D H活性を失った

た。しかし、銀染色で検出できる程度の量のバンドし変異株を個別に解析した結果、それら変異株の原因遺か得られず、N末端解析に十分な量を確保できなかっ伝子は、新規なサブユニット群（NDF1, NDF2, NDF4,た。

NDF5, NDF6, PPL2)をコードしていることが明らかにBlue-Native

PAGE

もしLC-MS/MS解析が使える環境であれば、同じC4なった3-6)。

植物であってもアマランサスではなく、（NADP-ME

この研究はシロイヌナズナのゲノムが完全解読され型であるとはいえ）ゲノム解読が進んでいるトウモロていること、また公開マイクロアレイデータが蓄積しコシを選択しただろう。実際、コーネル大学の研究グていること、T- D N A挿入変異株が容易に入手できる

ループはトウモロコシのプロテオーム解析により、ことなど、モデル植物ならではのインフラに大いに助

N D H複合体の新規サブユニット群の網羅的な選抜にけられた。筆者自身も何らかの形でコミュニティに恩成功している2)。

返しをしたいと強く感じている。

シロイヌナズナを用いたバイオインフォマティクスに

ゲノム世代のタンパク質複合体解析とはよる探索（2003年〜2006年）

ゲノムリソースが充実した植物種においては、L C -この研究を始めたのは博士後期課程 3 年の秋頃で

M S / M S解析を利用することで、高感度でのタンパクあった。

質同定が可能である。N末端解析とLC-MS/MS解析のこの頃N D H複合体の未同定サブユニット群を見つ感度の差は非常に大きく、また、複数のタンパク質をけ出すためにバイオインフォマティクスが利用できな含む粗標品サンプルを用いても網羅的にそのタンパク

いかと、論文や本を読んだり、セミナーに出たりして質群を検出できるため、シロイヌナズナのようなサイいた。そこで覚えた様々な手法を試してみた結果、1)ズの小さなモデル植物で生化学的な解析を行うことも

系統プロファイル法と2) 共発現プロファイル法が有望現実的になった。

であると判断し、その2つの手法で候補遺伝子を絞り

事実、筆者は、LC-MS/MS解析の専門家である北海込んだ。

道大学低温科学研究所共同研究推進部の桑野晶喜さ

系統プロファイル法は、あるタンパク質のオーソロ

ん、低温研微生物生態学グループの笠原康裕先生と共グがどの生物種のゲノムで保存され、どの生物種のゲ

同で、シロイヌナズナのチラコイド膜プロテオーム解

ノムで保存されていないかを調べることで、そのタン析を行い、既知のN D Hサブユニットの相当数を同定

パク質の機能を推測しようとする手法である。N D H

できた。複雑な心境である。

複合体であれば、モデル植物のシロイヌナズナやイネ

MS解析技術の発展により、モデル植物の利点、例えには存在するが、モデル藻類のクラミドモナスやシゾばゲノムリソースや変異株リソース、遺伝子組み換え

ンでは失われている。そのため、相同性検索をして、技術等、を活かしたタンパク質複合体解析が非常に有そのような分布になるタンパク質群を探せば良いこと

効なアプローチになった。バイオインフォマティクスになる。

を利用したアプローチはその一例であるといえる。

一方、共発現プロファイル法は、発現プロファイル

近い将来、D N Aシークエンサーの能力がさらに向が類似した遺伝子同士はその生理的な機能も関連して上しゲノム解読や大量のEST配列の入手が容易になれいる可能性が高いことを利用して、未知遺伝子の機能

ば、非モデル植物でもこのようなアプローチが有効とを推測しようとする手法である。特に光合成遺伝子になるだろう。

ついては発現プロファイルと機能の相関が高く、この手法は効果的であった。また候補遺伝子の選抜には、

3. BN-PAGEのTipsの紹介

大林武先生（現：東北大）によって作られたATTED-61光合成研究 20 (2) 2010

Buffer作成
使用するbufferのpHは4℃でpH 7.0になるように調製している。
泳動bufferやゲルbufferでは従来使われていたBis-Trisの代わりにImidazoleが利用可能である8)。後者の方が安価なので、筆者はそちらを利用している。
また、Cathode bufferにCBBを添加したbufferを作成する際には、CBBを溶液に添加後、室温で2時間以上
撹拌し、さらに 0.45 μm のフィルターでろ過した後、泳動に用いている。

グラジエントゲルの作成法
図1 BN-PAGEによりストロマタンパク質を泳動し、CBB染
色したゲル (Str)およびチラコイド膜タンパク質を泳動した
ゲル (Thy)
Strにおいて、最も量の多いバンドはRubisCOの8量体。Thyにおけるバンドは、上から、光化学系 I I の超複合体（ P S I I
SC)、光化学系IIの二量体（PSII-D)と光化学系I-LHCI超複合体(PSI-LHCI)の両方を含むバンド、LHCIIの3量体（LHCIIT)。

筆者は長い針（テルモスパイラル針

SN-2090)をミニゲル（ATTO AE-6530M) のゲル板の下の方まで差し込み、アクリルアミド濃度が薄い溶液から入れ始め、少しずつ濃くすることでグラジエントゲルを作成している（図2A, B）。アクリルアミド濃度の高い溶液の方が、よりG l y c e r o l濃度が高く比重が重いこともあり、濃度が薄い方の溶液が少しずつ上に浮いていく。
濃い溶液から入れ始めて軽い溶液を上に重層していく

BN-PAGEとは
Blue Native PAGE (BN-PAGE) はNativeな構造を保っ手法と比べると、こちらの方が綺麗なグラジエントをたままタンパク質複合体を高解像で分離する手法であ形成しやすく、是非お勧めしたい。

る。CBB G-250をタンパク質に結合させてから泳動す

なお、グラジエントゲルの作成中にゲルが固まらせるため、通常のNative PAGEと違い、泳動度は分子量ないためには、ゲル溶液をよく冷やす必要がある。筆にほぼ比例する。最初はミトコンドリアの呼吸鎖複合

者はそれに加えて、低温室でゲルを作成するか、もし体の解析によく用いられたが、最近では光合成研究で

くはゲルの作成中はシステム全体、特にグラジエントもよく用いられる。筆者は10
年 ほ ど 前 か ら 利 用 して お り(図１)、本稿ではその過程で蓄積したTipsを紹介したい。

BN-PAGEのTips
基本的なプロトコル
著者はB N - PA G Eの創始者である Schägger のプロトコ
ル を 基 本 的 に 踏 襲 して い る
7)。特に、Nature

Protocolsに掲載されたプロトコル 8 ) は非
常に丁寧に書かれた実践的なプロトコルで、初めて B N PA G Eを行う人にもお勧めできる。

図2 BN-PAGEのグラジエントゲルの作成装置(A）ペリスタポンプの片側のチューブの先をグラジエントメーカーと接続し、ペリスタポ
ンプのもう一方のチューブの先をスパイラル針に接続し、その針の先をゲル板の底に固定している。グラジエントメーカーの中にスターラーバーを入れ、マグネティックスター
ラーを用いて撹拌している。撹拌時に熱が出るため、グラジエントメーカーは氷で冷やしている。
(B) ゲル板に差し込んだスパイラル針の拡大図。針先端のカット面をゲル板の内側に向け
ている。

62

光合成研究20 (2) 2010

メーカーを（マグネティックスターラーが熱源になる方が、泳動像が綺麗であるように感じている。ただため）氷などでよく冷やしている（図 2 A ）。過硫酸

し、この条件では泳動中に電流が 1 mA を下回るた

アンモニウムの添加量を減らすことで、室温でグラジ

め、パワーサプライによってはエラーが出るので注意

エントゲルを作成することもおそらく可能と思われるが必要である。

が、筆者自身は試していない。

ゲルをウエスタン解析に用いる場合には、1/3〜1/2

また、BN-PAGEの後でMS解析を行う場合には、市ほど泳動が進んだ段階でCBB-freeのCathode bufferに交販の高純度のアクリルアミド溶液を利用してゲルを作換している。これはCBBがブロッティングを妨害する

成し、室温で一晩以上固めている。

ためである。

サンプル調整泳動後のゲルの保存

筆者は、シアノバクテリア、葉緑体、ストロマ、チ

泳動後のBN-PAGEのゲルは 50% glycerol 液で平衡化

ラコイド膜などのサンプルを泳動している。比較的クした後、適当量の 50% glycerol 液と一緒にハイブリ

ルードなサンプルでも泳動可能だが、経験上精製度がバッグに入れることで、− 8 0 ℃で保存することが可

高いサンプルの方がトラブルは少ない。クルードなサ能である。この後で、例えば二次元SDS-PAGEを行っ

ンプルの場合には特に塩濃度に気をつける（低くすても、凍結保存に伴うバンドの変化は（C B B染色でる）必要があるが、例えば核酸なども泳動の妨害になも銀染色でも）見られない。さらに、このように保存る。

したゲルはMS解析にも利用可能である。

膜タンパク質の可溶化にはD Mを利用している。典
型的には、10μg〜40μg程度のタンパク質サンプル（チ

泳動後の実験について

ラコイド膜であれば、おおよそ 4μg〜8μg chl 相当

著者は、泳動後のゲルを C B B 染色、ウエスタン解量）に対して、2% (w/v) のストックを等量加えて5分

析、LC-MS/MS解析、活性染色、二次元SDS-PAGEな程度氷上に静置した後、遠心分離し、その上清にどに用いている。BN-PAGE後のタンパク質複合体は添加構造のみならず、活性を保っていることが多く、これ

CBBストック溶液を加えて泳動に用いている。

する C B B ストック溶液はあらかじめフィルターろ過以外にも様々な利用法が可能であると思われる。

し、 4 ℃に保存している。なお、可溶性タンパク質

4. おわりに（ストロマ画分など）の場合には必ずしもCBBをサンプルに加える必要はない。

LC-MS/MSについては機種依存性が大きいため、本稿ではあまり取り上げませんでした。興味を持たれたサンプルの保存方は、例えば「明日を拓く新次元プロテオミクス-医チラコイド膜についてはよく泳動に用いるため、単学生物学を変える次世代技術の威力（細胞工学別

離後、小分けして保存している。具体的には、まず遠冊）」が参考になると思います。

心して上清を除き、そのペレットを液体窒素で凍らせ

BN-PAGEに関して、また、この記事の内容全般にた後、-80℃で保存している（〜1ヶ月）。その後解凍関して、ご意見やご質問がありましたら、どうぞお気した後に D M で可溶化し、その後泳動に用いている

軽にお問い合わせください。わかる範囲で、お答えさが、少なくとも光化学系超複合体やN D H複合体など

せて頂きます。

の泳動パターンについては凍結前後での変化は見られ

謝辞

ない。

京都大学の遠藤剛先生、低温科学研究所の桑野晶喜
電気泳動条件さん、そして現在所属している研究室の田中亮一先

泳動条件は基本的にはプロトコルに従っているが、サンプル調整に時間がかかる場合にはovernight生、田中歩先生には、研究面のみならず、この原稿の泳動内容についても貴重なアドバイスを頂きました。このも行っている。例えば、50Vの定電圧で10時間程度、紙面を借りて厚く御礼申し上げます。

低温室で泳動している。個人的には、overnight泳動の63

光合成研究 20 (2) 2010

Endo, T., and Sato, F. (2008) NDF6: a thylakoid protein
specific to terrestrial plants is essential for activity ofchloroplastic NAD(P)H dehydrogenase in Arabidopsis.
Plant Cell Physiol. 49, 1066-1073.
5. 	

 Takabayashi, A., Ishikawa, N., Obayashi, T., Ishida, S.,
Obokata, J., Endo, T., and Sato, F. (2009) Three novel
subunits of Arabidopsis chloroplastic NAD(P)Hdehydrogenase identified by bioinformatic and reverse
genetic approaches. Plant J. 57, 207-219.
6. 	

 Ishida, S., Takabayashi, A., Ishikawa, N., Hano, Y.,
Endo, T., and Sato, F. (2009) A novel nuclear-encoded
protein, NDH-dependent cyclic electron flow 5, isessential for the accumulation of chloroplast NAD(P)Hdehydrogenase complexes. Plant Cell Physiol. 50,
383-393.
7. 	

 Schägger, H. and von Jagow, G. (1991) Blue nativeelectrophoresis for isolation of membrane protein
complexes in enzymatically active form. Anal.
Biochem. 199, 223-231.
8. 	

 Wittig, I., Braun, H.P., and Schägger, H. (2006) Bluenative PAGE. Nat. Protoc. 1, 418-428.

Received July 7, 2010, Accepted July 22, 2010, Published
August 31, 2010

参考文献
1. 	

 Takabayashi, A., Kishine, M., Asada, K., Endo, T., andSato, F. (2005) Differential use of two cyclic electron
flows around photosystem I for driving CO2concentration mechanism in C4 photosynthesis. Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 102, 16898-16903.
2. 	

 Majeran, W., Zybailov, B., Ytterberg, A.J., Dunsmore,J., Sun, Q., and van Wijk, K.J. (2008) Consequences of
C4 differentiation for chloroplast membrane proteomes
in maize mesophyll and bundle sheath cells. Mol. Cell.
Proteomics. 7, 1609-1638.
3. 	

 Ishihara, S., Takabayashi, A., Ido, K., Endo, T., Ifuku,K., and Sato, F. (2007) Distinct functions for the two
PsbP-like proteins PPL1 and PPL2 in the chloroplast
thylakoid lumen of Arabidopsis. Plant Physiol. 145,
668-679.
4. 	

 Ishikawa, N., Takabayashi, A., Ishida, S., Hano, Y.,

The Strategies for Analyzing Protein Complexes Suitable for Genome Generation
Atsushi Takabayashi*
The Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University64

光合成研究20 (2) 2010

TOPICS
光合成微生物は資源・エネルギー分野で人類に貢献できるか？
―生産性を規定する諸要因の分析―
名古屋大学大学院 生命農学研究科
小俣

1. はじめに達男 * 、藤田

祐一、前田

真一

day -1 )が採算ラインとされていた。この数値を達成可

化石燃料の大量消費による大気CO 2濃度の上昇を軽能とする報告もあったが、それらは最適条件下での実減するため、再生可能エネルギーの導入が進められて験に基づく推計であったため、野外では実現困難な数いる。微細藻類やラン藻（シアノバクテリア）を用い値と判断されることとなり、研究は衰退した。その後たバイオ燃料やバイオマスの生産も、その一翼を担うのバイオエネルギー研究は植物バイオエタノールへとものとして注目されており、ベンチャー企業の活動や中心が移り、バイオエタノールの実用化と穀物市場へ

大型研究費の配分などの情報を耳にする機会も増えての影響が話題になったのはつい先日のことである。そいる。しかし、主に基礎研究の世界で活動している大の後、バイオエタノールと食糧資源との競合の問題か

半の光合成研究者にとって、エネルギー関連の応用研ら再び光合成微生物に注目が戻ることになった。以前

究と自分たちの研究の接点を見つけることは容易ではに比べて、原油価格が上昇していることが追い風とない。一部で喧伝されているように「数年以内に実用なって、15〜20 gDW m-2 day-1 程度を数値目標として化できる見通し」なら「今更自分たちの出番でもなか研究が行われている。藻体の 9 0 % が水であると仮定

ろう」と感じるのも無理はない。それでいて、バイオし、深さ20cmの培養池を用いるとすると、20 gDW m-2

燃料が近い将来に燃料の主役になると信じる研究者は

day-1 は１日１㍑あたり0.1 gDW（湿重量で約１ g）の少ない。社会の要請・期待と基礎研究の間のギャップ

藻体生産に相当する。ラン藻や微細藻類の光合成速度を知るがため、応用研究をどう位置づけるべきか、あから考えると、現実的なところに採算ラインが下がっ

るいは応用研究に対して自分がどのように貢献できるてきたと言えよう。

のかが把握できない、というのが偽らざる感想であろ3. 培養技術上の基本的問題う。本稿はこのような状況を改善するため、光合成微生物の資源・エネルギー源としての利用をめぐる問題

石油との価格比較によって論じられることの多い点を整理し、各研究者が自分の研究と応用研究との距「採算性」であるが、より本質的な指標として、「獲離を把握し、自ら貢献可能な領域を見定めることを助得されるエネルギー量」を「投入エネルギー」で割っけるべく執筆したものである。

た比を考慮する必要がある。上述の条件で20 gDW m-2
day-1という数値が達成できた場合、この乾燥重量がす

2. バイオエネルギー研究の歴史的変遷

べてデンプンであったと仮定しよう。デンプンの燃焼

微細藻類やラン藻が高い光合成活性を示すことか

熱が17.4 kJ/gなので獲得されるエネルギー量は１日１ら、食糧あるいはエネルギー源としての活用の可能性

リットル当たり1.74 kJである。一方、培養槽のようなが古くから検討されてきた。光合成微生物由来のバイ

施設・装置類を除外すると、投入エネルギーの中で大オマスあるいはバイオエネルギーへの期待は石油資源

きな割合を占めるのは、培地調製と藻体の回収にかかの枯渇の不安の増減とともに変動し、研究も盛衰を繰るエネルギーコストである。実験室では遠心分離にり返してきた。1980年代から1990年代にかけては「年よって細胞を回収することが多いが、この過程にはど

平均で1日1 m2 あたり乾物生産量 50 g」(50 gDW m-2のくらいのエネルギーが必要だろうか。電流計を見な* 連絡先

E-mail: omata@agr.nagoya-u.ac.jp65

光合成研究 20 (2) 2010

がら操作した昔の遠心分離機と異なり、現在の遠心分

バー・ボッシュ法によってN2から生産されるが、これ離機では消費エネルギーを実測できないので、簡単なは化石燃料を用いる工業的生産法であり、約40 kJ/gN

概算を試みよう。1 kg の質点が半径 10 cm で 3000のエネルギーが消費される 1 , 2 ) 。上述の計算例で乾燥rpmの速度で回転している時、その質点の線速度から

重量の10%が窒素だと仮定すれば、1.74 kJ のエネル

運動エネルギーを概算すると0.49 kJとなる。ローターギーを獲得するために窒素肥料として 0.4 kJ のエネルの重さを考慮すれば最低でもこの2倍、モーターの効

ギーを投入していることになる。窒素肥料は金銭的に率等を考慮すれば、折角獲得したエネルギーの大半はも高コストである（後述）。現状では投入エネルギー

使われてしまうことになる。さらに実験室では無菌培を獲得エネルギーが上回るような大量培養系は存在し養を維持するため、オートクレーブ（高圧蒸気滅菌）ないと考えて良い。

によって培地の滅菌処理を行うのが普通であるが、室エネルギー収支が赤字であっても、上述4種の藻類

温にある1リットルの培地の温度を100℃上昇させるのの大量培養は産業として成立している。4種の藻類のに必要なエネルギーは100 kcalすなわち418 kJにもな

うち、スピルリナとクロレラは細胞破砕物や抽出物がる。このことから、光合成微生物をエネルギー資源と錠剤の形で販売されている。ドナリエラとヘマトコッ

して活用するためには、無菌操作と遠心分離操作を避カスはカロテノイドが有用成分として抽出、利用されけることが必須であることがわかる。

ている。これらは健康食品としての利用であり、高付加価値商品として高価で販売される。経済的収支が黒

4. エネルギー収支から見た商業的な藻類培養の字であれば、資源・エネルギーとしての収支が赤字で位置づけあっても問題はない。窒素のコストが高いことを生産

我々が実験室で行っている小規模な培養とは比較にコスト上の問題として指摘したが、実は、窒素を多くならないほどの大規模な藻類の商業的生産が実際に行含むことが健康食品としてのスピルリナやクロレラのわれている。主なものはスピルリナ、クロレラ、ドナ

商品価値を高めている。資源・エネルギー的価値と経リエラ、ヘマトコッカスの４種類であり、スピルリナ

済的価値の違いを理解しておくことが重要である。

がラン藻であるのを除けば他はすべて緑藻である。こ5. 光合成微生物の弱点は何か？

れらの大量培養の技術的詳細は不明の点も多いが、メッシュで集菌できるスピルリナ以外は細胞の回収の

光合成微生物は光合成能力が高く、増殖が速いのはために遠心操作を必要とする。次に無菌性について事実である。最短では2時間の世代時間で増殖するもは、高p H条件で増殖するスピルリナや高塩濃度条件のもあり、世代時間4時間、日照時間が12時間としてで増殖するドナリエラの場合には、他の生物が増殖しも、１日当たりで数倍程度のバイオマス増加を期待でにくいため、無菌操作は必須ではない。しかし、他のきる。我々はこの事実を根拠にして藻類の高等植物に2種では解放系で高純度の培養を維持することは困難

対する優位性を論じてきた。しかしそれならば、植物で、無菌培養した細胞を屋外の培養槽に接種して大量性バイオエタノールが既に実用化されたのに、藻類を培養を行っている。以上のことから、商業的な大量培材料とするエネルギー資源が実用化されていないのは

養系の中でエネルギー収支の点で最も優れているのがなぜか？アメリカのように農業への化石エネルギー投

スピルリナであることがわかる。

入の大きい国でさえ、トウモロコシを原料としたバイ

しかし、実際にはスピルリナですら獲得エネルギー

オエタノール生産では、獲得エネルギーと投資エネルが投入エネルギーを上回っているかどうかは疑問であ

ギーの比は1 . 3であり、エネルギー収支上は黒字とさる。それは、培養に必要な培地成分のコストを計算しれている 3 ) 。藻類由来のバイオ燃料はこのレベルに達てみるとわかる。特に炭素の次に必要量の多い窒素のしていない。この事実の陰には高等植物の微細藻類やコストが問題である。ラン藻の窒素含有量は炭素の数ラン藻に対する優位性、見方を変えれば「光合成微生分の1程度と高い。ラン藻の中には空気中のN 2 を窒素物の弱点」が隠されている。これらの弱点を理解し、源として用いる能力をもつものもあるが、スピルリナ

ひとつずつ問題を解決してゆくことが、光合成微生物

はN2固定能力をもたないので、アンモニアのような窒から資源・エネルギー的価値を引き出すために重要で素化合物を与えねばならない。アンモニアはハーあるので、以下に順次検討したい。

66

光合成研究20 (2) 2010

バイオマスの回収の困難さを回避する有効な方法
5-1. 他生物の影響

は、有用生産物を細胞から放出させ、バイオマスから

植物は病原菌の侵入や繁殖を妨げたり、ウイルスの分離して回収することである。有用生産物として水素拡散を抑止する機構をもっており、種子を殺菌するこ

ガス 5 - 7 ) やエチレン 8 , 9 ) のような気体の生産を目指す研とはあっても生育期間を通じて無菌性を気にする必要

究はその典型的なものである。油脂生産を目的とするはない。病害や虫害を防ぐための措置をとることはあ

研究においても、細胞から生産物を分離させる方向でるが、遺伝子組換えによる省エネルギー的な防除法も研究が進められている10)。さらに光合成の生産力をな実用化されている。さらに除草剤耐性の遺伝子組換えるべく有用物質の生産に振り向け、細胞数の増加を抑植物を利用することによって、雑草の影響を効果的にえることができれば、バイオマス回収のコストだけで排除することに成功しており、生産過程への投入エネなく、窒素源のコストも低減できるであろう（5 - 3参

ルギーの削減が確実に進みつつある。これに対して藻照）。 N 2 固定能力をもつラン藻を用いれば、窒素源類やラン藻の培養では無菌操作が重要であることは上のコストを考える必要もなくなる。窒素固定ラン藻を記3.で述べたとおりである。長い歴史の中で病原菌や用い、窒素固定酵素の反応を利用して水素ガス生産をウイルスの挙動が研究され、対策が講じられてきた植行う構想 6 , 7 ) はエネルギー的に理にかなったものであ物とは異なり、光合成微生物に及ぼす「コンタミ」のる。窒素固定ラン藻に遺伝子操作を施して他の有用物

本質的影響についての情報は少なく、効果的対策も立質の生産能力を賦与すれば、同様の原理で窒素源のコてにくい。幸いなことに、既に述べた好アルカリ性のストの問題を解決することが可能である。

Spirulina (Arthrospira) 属のラン藻や好塩性緑藻 Dunaliella5-3. 高い窒素含有量s a l i n a以外にも酸性p H領域で増殖する軽油産生緑藻
Pseudochoricystis ellipsoidea や好熱性のラン藻など、動物と植物を比べた場合、動物のC / N比は約6で草他の生物の増殖しにくい環境で優先的に増殖する種が本植物の20〜40に比べて顕著に低い11,12)。これは植物あるので、これらの性質を利用して無菌操作を避ける

が炭水化物を主成分とするのに対して動物はタンパクことが重要である。

質が主成分で窒素含有量が高いためである。前述のように、微細藻類やラン藻も窒素含有量が高く「動物5-2. バイオマスあるいは有用生産物の回収コスト的」である。研究に広く用いられるラン藻

次にバイオマスや有用産物の回収について考えてみ

Synechococcus elongatus や Synechocystis sp. PCC 6803

よう。耕作地からの植物の収穫は比較的容易である。

ではC/N比は5〜6程度である。海産性微細藻類のC/N

果実、種子、塊茎、塊根のように有用物質が濃縮・集比は一様に約7であることが知られている 1 3 ) 。淡水性積されている部位のみを簡便に集められることも多緑藻のC / N比の幅は広く、5から1 5くらいに分布してい。植物には、光合成の場である葉から貯蔵器官へといる14, 15)。植物と同じように光合成微生物の培養には光合成生産物を輸送して集積する性質があり、この性

窒素肥料が必要である。窒素肥料は化石燃料を用いて質が大いに役立っているのである。これに対して光合生産されるため、その価格は原油価格の上昇に伴って成微生物は光合成の産物をまず細胞分裂のために用い上昇し、農業のコスト増大の原因となっている16)。窒る。増殖した細胞の回収には3.でも述べたように遠心素含量の高い光合成微生物では問題はさらに深刻であ操作を必要とする場合が多い。この点について、唯一る。現在のバイオ燃料の目標は石油系燃料と競合でき実用的な回収方法があるのがスピルリナである。スピる生産コストを実現することなので、仮にC/N = 15のルリナは細胞が大きく、螺旋状の形態をもっている。

バイオマスを得て、 C の 5 0 % を炭化水素として回収

この2点が細胞の回収の容易さと関係があることは間し、その生産コストが軽油と同等だったとしよう。

違いないが、この性質を他の光合成微生物に賦与する

2 0 0 9年1 0月の軽油の卸売価格（軽油引取税を含まなにはどのようにしたらよいかは、未解明である。最近い）は約54円/㍑であった17)。軽油の炭素含有量は0.72

Spirulina (Arthrospira) platensisのゲノム配列が決定され

kgC/㍑なので、炭素当たり価格は75円/kgCとなる。同たが、この中から関連情報が得られるかどうかに注目

年同月の尿素（窒素含有量4 6 %）の輸入価格は3 0円/

したい4)。

kgで、窒素あたりにすると65円/kgNであった18)。そこ67

光合成研究 20 (2) 2010

で、1kgC分の油の生産にはその重さの7.5分の１に相る。これを防ぐため、光エネルギーの吸収に関わる色

当する8 . 7円分の窒素が必要と概算される。この場合

素の量を減らすことが試みられている。細胞当たりのには生産コストの 1 2 ％が窒素肥料代となる。ちなみ

色素量の減少により、全体としての生産性が向上したに、同年同月における尿素の農家への販売価格は81.2という報告21-23)と、効果がなかったとする報告24)があ円/ k gだったので 1 8 ) 、この価格で尿素を購入していたるが、この点はさらに実験的検証を進めるべき点だと

ら 1 kg 分のバイオ燃料の生産に必要な尿素代は23.5

私達は考えている。

円、すなわち目標とする生産コストの 3 0 ％にも達する。少ない窒素で多くのCO 2を固定する高等植物の方

5-5. 微細藻類の弱点の原因は「空間的秩序の欠如」

が有利であると言わざるを得ない。

以上のような光合成微生物の弱点の原因を一言で言窒素源の負担を減らす第一の方策は、工業的窒素固

えば「空間的秩序の欠如」である。植物個体は外界と定以外の方法で窒素を獲得することである。これには内部を区別する境界をつくって病原菌の侵入に抵抗

前述の窒素（ N 2 ）固定ラン藻の利用以外に廃棄物中し、光合成器官である葉から貯蔵器官へと光合成産物の窒素を利用する方法がある。廃棄物としては、排水を輸送・集積する。そのためには相応のエネルギーが中の窒素と排煙中のN O x 1 9）とがある。火力発電所等必要であり、養水分を吸収・配分し、生産物を輸送すから放出されるNO x量はCO 2量に比べれば少ないが、るための経路もつくらなければならない。そのため、絶対的には大きな数量である。排煙を用いた藻類大量

植物の生長は細胞分裂のみに専念する微細藻類やラン培養に成功している企業もあり20)、有望なアプローチ藻の場合に比べて遅くならざるを得ない。しかし、植と言える。窒素源の負担を減らす第二の方策は、有用物が形成する空間的構造は、植物の栽培と有用成分の生産物を細胞から放出させることにより、有用物質の回収を容易なものとして大きなエネルギー上のメリッ生産過程を多量の窒素を必要とする細胞分裂から切りトを与える。これにより、「高い光合成能力と速い増離すことである。細胞分裂を抑制した状態で生産物を殖」という微細光合成生物のメリットが相殺されてい培養系から回収しつつ生産を継続できれば、窒素コスると考えることができる。

トを大幅に低減することができる。

6. 2つの異なるアプローチ
5-4. 光の利用効率

光合成微生物を資源あるいはエネルギー源として利エネルギー源である光の効率的な利用は、光合成生用しようとする研究は、特定の有用物質の生産を目的

物の生産性に決定的な影響を及ぼす。植物は光環境のするものとバイオマス生産を目的とするものに大別し違いや変動に対して多様な適応機構を編み出してきて考えるべきである。いずれの場合も、目的達成のたた。一つの植物個体を見ても、光吸収効率を最適化す

めには前項で取り上げた諸問題を解決することが重要るような葉序を形成し、陽葉と陰葉を造り分け、必要であるが、目的に応じて問題の優先順位は異なっていなら葉を動かし（調位運動）、細胞内の葉緑体を移動るからである。無菌操作の回避は何にも増して重要なさせて（光定位運動）光の有効活用を行っている。こ共通課題ではあるが、他の諸点については目的に応じのような空間的な秩序の形成と活用は微生物には不可て異なるアプローチを考えるべきであろう。特定の有能である。光合成微生物は細菌と同じように対数増殖

用物質の生産を目指す場合には生産物の細胞外への放期をもち、その間は急速に増殖するが、その期間は短出が重要課題である。有用物質の生産とバイオマス増い。細菌の場合には栄養物資の欠乏によって対数増殖

加を切り離すことにより、バイオマスあたりの生産物

期が終わるが、光合成微生物の場合には自身による光量を飛躍的に増加できる可能性がある。結果としてバ吸収のために培養液内の光強度が低下するために対数イオマスの回収コストや窒素のコストを相対的に小さ

増殖期が終わる。この時、個々の細胞は十分な光を獲くすることも期待できる。一方、バイオマス全体を利得しようとして光合成色素の合成量を増やす。その結用しようとする場合には、細胞の回収コストと窒素コ

果、培養液内部にはますます光が入りにくくなり増殖ストの低減が重要である。ただし、肥料、飼料、ある率が低下する。全体としての秩序を持たず、個々の細いは食糧としての利用では、窒素含有量の低下を目指

胞が利己的にふるまう藻類の弱点がここに現れていすのではなく、窒素固定能力の利用を図ることが有望

68

光合成研究20 (2) 2010である。さらに肥料や飼料の場合には細胞の回収そのとっては増殖を妨げる「有害な変異」であり、導入しものを不要とするアプローチもあり得る。これはアカた遺伝子が二次的変異によって不活性化した場合、そウキクサ（Azolla属の水生シダ植物と窒素固定ラン藻のような不活性型遺伝子をもつ株の優先的増殖が起こ

Anabaena

azollaeの共生体）の水田への緑肥としてのるのであろう。この点も微生物ならではの問題であ

導入やアイガモ農法における利用において実績が証明る。この問題を解決するためには、一定の細胞密度にされている方法である25,26)。

到達するまでの「増殖モード」では導入した遺伝子の今後、遺伝子操作技術をはじめとする最先端技術が発現をオフに保ち、その後、増殖を停止させた「生産藻類やラン藻の「品種改良」のために用いられるであモード」においてはじめて発現を誘導して有用物質のろう。しかし、実際の藻類利用の現場ではアカウキク

生産を促すなどの工夫が必要である。

サの例のようにむしろ「ローテク」の利用形態が有効

8. 光合成微生物の強みを生かすための方策である場合もあることを覚えておくべきである。

―

研究の統合の道筋―
7. 希望と困難を象徴する研究例

さて光合成微生物の弱点については十分考察したの

最近、ラン藻 Synechocystis sp. PCC6803を用いた脂で、次に光合成微生物の強みについて考えてみたい。

肪酸の大量合成法の論文が発表されて注目された10)。

高い光合成能力に加え、光合成微生物はその種類におこれは、脂肪酸合成中間体であるアシルACPを分解す

いても特性においてもきわめて多様であり、総体としる大腸菌や植物由来の複数のチオエステラーゼの遺伝て大きな可能性を秘めている点が強みである。今日で子を導入して発現させ、生じた脂肪酸を細胞外に放出も特に海洋からは意外な特性をもった種が続々と発見させることに成功したという報告である。上記の遺伝されている。これらの中から資源あるいはエネルギー

子操作に加えてアシル A C P 合成酵素の遺伝子を破壊の生産に有用な新形質が見つかる可能性もある。問題

し、アセチルCoAカルボキシラーゼの遺伝子を過剰発は、このような性質のすべてを１つの種が合わせ持っ現させ、細胞表層のS層とペプチドグリカンの生合成ているわけではない、ということである。有用物質のに関わる遺伝子を破壊することによって、脂肪酸の放生産能力を持ちながら5.項に掲げた問題点の１つをク

出量を増やし、その生産量は1日当たり最大 0.13 g 脂

リアしている種はあっても（例えば無菌操作を必要と肪酸/㍑にも達したという10)。この値は2.項で述べた採しない軽油産生緑藻 Pseudochoricystis ellipsoidea）、

算ラインをクリアしており、さらに細胞外に放出されそれ以上のものは今のところ知られていない。反対にた脂肪酸が培地表面に浮遊して容易に回収できるとい

無菌性の維持と細胞の回収が容易なスピルリナは、遺う点で画期的であった。ところが、この論文は、7月

伝子操作が困難なため、現時点ではエネルギー的に価初めに取り下げられてしまった。4名の著者のうち2名値のある物質の生産は期待薄である。望ましい性質をが実験結果に同意しなかったことが理由であるが、どすべて備えた種を作り出すことが肝要であり、そのた

うやら生産量に再現性がなかったらしい。研究者の勇めには遺伝子操作技術の活用が不可欠である。光合成

み足の感がある事例であるが、それでも、代謝工学的

微生物の中でも原核生物であるラン藻類には遺伝子操手法によってラン藻に遊離の脂肪酸を合成させている作が容易な種もあり、この点で有利である。アミノ酸

点、脂肪酸を細胞外に排出させて回収しやすい状態を生産に用いられているバクテリアでは、ゲノム情報に実現している点、誰でも入手できる一般的な藻種を利基づく品種改良である「ゲノム育種」が既に行われて用している点で、重要な研究例であると私達は考えいるが 2 7）、このような手法を拡張しつつ光合成微生る。また、もし再現性に問題があったとすると、脂肪物に適用することにより、異なる藻種の有用形質の酸生産のために導入した遺伝子が安定に保持されな「いいとこ取り」をしなければならない。これは多くかった可能性がある。外部から導入した有用遺伝子のの手間と時間がかかる作業である。しかし、かつて不安定性は、Synechococcus elongatus PCC7942にバク「育種」の概念すら明確でなかった時代、我々の先祖

テリアの遺伝子を導入したエチレン生産の系で既に報が我々の目には雑草としか見えないテオシントからト

告されている9）。光合成産物を有用物質の生産へと振ウモロコシを作り出したこと 2 8）を思えば、はるかにり向けるタイプの「品種改良」は、光合成微生物に確実性の高い道である。ただし、ここで「現存のどの

69

光合成研究 20 (2) 2010

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れぞれの種に分散してしまっているのが現状である。
早期に共通のプラットフォームとなるべき「原種」を選定し、各研究者の成果を直接統合して有用な光合成
微生物を作出する体制を構築することが必要であろう。

9. おわりにエネルギー・資源としての光合成微生物に対する期待は高まっており、特にバイオ燃料の研究が注目を集めているが、本稿では「何をつくるか」ではなく「どのようにつくるか」を問題にした。ここに光合成微生物の本質的な弱点と困難があり、それらの解決なくして光合成微生物のもつ能力を活用することはできないと考えるからである。既存技術の洗練や改善だけでなく、基礎的レベルの科学的進歩とそれに基づく技術的なブレイクスルーが必要とされている。ここには光合成微生物の研究者、さらには広範な光合成の研究者の貢献できる領域が開けていることを強調して本稿を終えたい。

Received July 12, 2010, Accepted August 6, 2010,
Published August 31, 2010

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光合成研究 20 (2) 2010

研究紹介
炭素安定同位体法を用いた葉内CO2コンダクタンスの測定
京都大学大学院 生命科学研究科 統合生命科学専攻
田副雄士*

1. はじめに現在の大気CO 2環境は植物の光合成にとって最適であるとは言い難く、CO 2濃度は光合成の律速要因の一つである。したがって、植物が光合成に必須な基質であるCO 2を多く取り込むことが出来れば、光合成能の向上に繋がる可能性がある。 C O 2 の取り込みと聞いて、多くの人は気孔による制御を真っ先に思い浮かべ
るかも知れない。確かに、気孔は細胞間隙のCO 2濃度を制御しているが、細胞間隙からRubiscoまでの物理
抵抗が、葉緑体内のCO 2濃度を制御していることは、あまり知られていない。本稿では、光合成能の向上に繋がるかもしれない、葉内CO 2 コンダクタンスについ図1 葉内におけるCO2の拡散経路
Ca:大気のCO2濃度、Ci:細胞間隙のCO2濃度、Cc：葉緑体内のCO2濃度て解説すると共に、最新の研究結果についても紹介する。

実際に、飽和光下（1500 μmol photon m-2 s-1）、大2. 葉内CO2コンダクタンスとは？

気CO2条件下 (380 ppm) で高い光合成をしているタバ

光合成において、気孔から取り込まれたCO 2は、細コの成熟葉における gm を測定すると、およそ0.35 mol

胞間隙を拡散によって移動し、葉肉細胞の細胞壁、細m-2 s-1 の値が得られる。この gm がどの程度CO2の低下

胞 膜 、 細 胞 質 を 通 って 葉 緑 体 に 入 り 、 最 終 的 にに寄与しているかを計算すると、葉緑体内のCO 2濃度

Rubiscoによって固定される（図１）。このような葉（Cc）は 190 ppm になり、大気CO2の半分にまで低下内におけるCO 2の拡散移動には、大きな物理抵抗が生した（図1）。このように、g m は葉内におけるCO 2 拡

じている。特に、細胞壁から葉緑体内のストロマに達散を大きく律速しており、近年、気孔に次ぐ第二の光するまでの液相の抵抗は、同じ距離の気相の抵抗の合成律速要因として、注目されている。

10 4倍にもなる1)。葉内におけるCO 2の拡散抵抗は、一g m は1980年から90年代にかけて、様々な植物種を般的には逆数をとって、葉内CO2コンダクタンス（注：英語では、mesophyll

conductance

使って盛んに調べられてきた。その当時、gmは葉肉細もしくはinternal

胞の細胞壁の厚さや、細胞間隙に接する葉緑体の面積

conductanceと表記され、それぞれ gm または gi と簡略といった、葉の形態的特徴によって決定されると考え化されるが、本稿においては gm で統一する。なお、られていた。実際に、細胞壁が厚くてしっかりとした

日本語では、葉肉コンダクタンスと呼ぶこともある）

構造を持つ木本種の葉の gm は、草本種と比べて小さとして表され、gm が大きければ、葉内においてCO2がくなることが報告されている 2 ) 。しかし、近年、動物通りやすいことを意味している。

細胞において、細胞膜に局在するアクアポリンがCO 2も透過させていることが報告され 3) 、植物細胞におい* 連絡先

E-mail: utazoe@lif.kyoto-u.ac.jp72

光合成研究20 (2) 2010ても同様に、細胞膜や葉緑体の包膜に局在しているア

た、a、a i、bは、気孔を通るときのCO 2拡散、葉内にクアポリンがCO 2も透過させている可能性が議論されおけるCO2拡散、RubiscoによるCO2固定、の炭素安定るようになった 2 ) 。この仮説を裏付けるように、アク

同位体分別係数で、それぞれある定数が仮定されていアポリンを過剰発現させたイネやタバコの葉では、アる。最後の f と e は、光呼吸と、呼吸によって生じる

クアポリン量の増加に伴い gm も大きくなったという

炭素安定同位体分別係数を示しており、Rdは光照射下報告がある 4 , 5 ) 。もし、アクアポリンが、g m に影響をにおける呼吸速度、kはRubiscoのCO 2固定効率、Γ*は及ぼしているのであれば、gmも気孔と同様に、環境に

C O 2 補償点を示している。式（2）を要約すると、葉応じて臨機応変に変化する可能性があり、従来まで全体の炭素安定同位体分別Δは、C O 2 の拡散と固定にの、gmが葉の形態的特徴によってのみ決定されるといよって生じる同位体分別から、呼吸により発生するう考えを改める必要がある。

CO 2の同位体分別を引いたものと等しい、というモデル式である。呼吸の同位体分別の部分は、筆者らによ3. 葉内CO2コンダクタンスの求め方り改良されたモデル式 7 ) が発表されているが、基本的gmは、Fickの拡散方程式により、次のように表され概念は式（2）と同じである。g m は、この式（2）とる。

式（1）から計算する。
A = gm (Ci – Cc)

・・・（1）

g mの計算に必要なΔは、光合成測定時に、ガス交換装置のリーフチャンバーから出てくるガスをサンプリ

式（1）より、細胞間隙のC O 2 濃度（C i ）と、葉緑体ングし、液体窒素で濃縮してガラス管に封入し、それ内のCO 2濃度（C c）の差に、細胞間隙から葉緑体までを質量分析装置で測定することにより求めることが出の葉内CO 2コンダクタンス（g m）をかけると、光合成来る。しかし、ガスのサンプリングに30分程度の時間

速度（A）が導かれる。この式（1）において、CO2ガがかかるため、瞬間的な g m の変化を調べるのは困難

ス交換測定により得られる値は、AとC i だけなので、である。最近、Tunableg m とC cを求める為には、もう一つ別の式が必要とな

Spectroscope（TDLAS）といった高性能のレーザー分る。この式を導くためには、いくつかの方法がある

光装置の普及のお陰で、リーフチャンバーから出てくが、現在最も信頼度が高いと言われている方法が、炭るガスのΔをオンラインで検出できるようになり、瞬

素安定同位体法である。

間的な gm の挙動を追うことが可能となった。

Diode

Laser

Absorption

炭素安定同位体法とは、自然大気中に存在する炭素4. 急激的なCO2変化に対するgmの挙動

安定同位体である13CO2と、12CO2の比（炭素安定同位体比）を測定する方法である。質量の軽い 12 CO 2 の方

T D L A Sとガス交換装置から成るオンラインシステが、拡散しやすく、 R u b i s c o によって固定されやす

ムの開発により、瞬間的な環境の変化に対応して、gmい。この性質を利用し、ガス交換測定装置のリーフがどのような挙動を示すかについて、少しずつ明らか

チャンバー（同化箱）に入るCO 2 と出てくるCO 2 をサになりつつある。環境要因の一つであるCO 2濃度は、ンプリングし、それぞれの炭素安定同位体比を調べる

光合成速度を大きく左右し、気孔の制御にも影響を与ことで、光合成においてCO 2の拡散による抵抗がどのえるが、gmに与える影響については、長い間議論の的程度生じているかを見積もることができる。具体的にとされてきた。そこで筆者らは、T D L A Sのオンライは、以下のモデル式を用いる6)。

ンシステムを用いて、瞬間的にCO 2 濃度を変えた時のgmの挙動について、タバコの成熟葉を用いて調べた。
図2は、低CO 2(200ppm)から高CO 2（1000ppm: ■）、または高CO 2から低CO 2（△）へと、瞬間的に C O 2 濃度を切り換えたときの、光合成速度・・・（2）（ A ）、気孔コンダクタンス（ g s ）、 g m の変化を示

左辺のΔは光合成における葉全体の炭素安定同位体

す。CO2濃度を200 ppmから1000 ppmに瞬間的に上げ分別を示しており、右辺のC a、C i、C cはそれぞれ、大ると、Aは急激に増加した（図2a）。気孔は、低CO 2気、細胞間隙、葉緑体内のCO 2濃度を示している。ま下で開き、高CO 2下で閉じる傾向があるため、g sの挙

73

光合成研究 20 (2) 2010

仮説を支持するものであり、アクアポリンのCO 2応答の変化が、今回のgmの変化に影響を与えている可能性も考えられる。しかし、CO 2濃度の変化が、植物のア
クアポリンにどのように作用するのかについては、まだ不明な点が多く、現段階において、そのメカニズムについて明確に説明することは難しい。アクアポリンとgmとの関係については、今後の研究成果に期待したい。

5. 異なるO2条件下におけるgm
低CO 2 下においてg m が増加することにより、葉緑体
内におけるCO 2濃度と光合成に、どのような影響を与えているのだろうか？この疑問について考察するために、異なる O 2 条件下で g m を測定した結果を紹介する。
表1は、異なるO2条件 (2、21%)、CO2条件下 (200、1000 ppm) における、A、gm、細胞間隙と葉緑体内のCO2濃度差（Ci - Cc）の結果を示す。2% O2下では光呼吸が抑えられるので、その分CO 2固定効率が上がる。
そのため、200 ppmの低CO2下では、Aは2% O2下の方が大きくなった（表1）。しかし、1000ppmの高CO2下では、光呼吸の影響は小さくなるので、Aの最大値
はO2濃度によって、あまり変わらなかった。
2% O2下におけるgmは、図2と同様に、200 ppm CO2で大きく、1000 ppm CO2で小さくなった。しかし、
21% O2下において、gmはCO2濃度により変化しなかっ

図2 瞬間的なCO2濃度の変化に対する、光合成速度（A）、
気孔コンダクタンス（gs）、葉内CO2コンダクタンス（gm）の
時間変化
CO2濃度を200 ppmから1000 ppmに瞬間的に変えたとき(■)と、1000 ppmから200 ppmに変えたとき（△）の、タバコの成熟葉のA、gs、gmの時間変化を、光強度1500 μmol photon
m-2 s-1、2% O2、葉温25oCで測定した。CO2濃度を変えたときを、Time = 0で表す。（Tazoe, Y., von Caemmerer, S. & Evans,
J.R. 未発表）

表1 異なるO 2 、CO 2 条件下における、光合成速度（A）、
葉内CO2コンダクタンス（gm）、細胞間隙と葉緑体内のCO2
濃度差（Ci - Cc）
異なるO2 (2、21%)、CO2 (200、1000 ppm)条件下における、タバコの成熟葉のA、gm、Ci - Ccを、光強度1500 μmol photon
m-2 s-1、葉温25oCの条件で測定した。値は、平均値 ± 標準誤
差 (n = 3)を示す。（Tazoe, Y., von Caemmerer, S. & Evans, J.R.
未発表）
O２
(%)

動はそれを反映していたが、Aとは異なり、g s はゆっ

CO2
(ppm)

A
(µmol m-2 s-1)gm
(mol m-2 s-1)

Ci - Cc(ppm)

くりと変化した（図2b）。gmは、200 ppm CO2でおよそ0.6 mol m-2 s-1と、gsと変わらない値を示したが、2

CO2濃度を 1000 ppm に切り換えると、gmは瞬時に0.3
mol m-2 s-1にまで減少した（図2c）。逆に、CO2濃度を200

16.8 ± 0.8

0.54 ± 0.01

31 ± 11000

37.3 ± 1.7

0.29 ± 0.04

135 ± 17200

10.6 ± 0.4

0.32 ± 0.03

34 ± 41000

40.5 ± 1.2

0.33 ± 0.05

128 ± 221000 ppm から 200 ppmに下げたときには、瞬間的なg m の増加の程度は小さかった。同様の結果は、シロ21

イヌナズナやコムギでも確認された。このような、瞬間的なCO 2濃度の変化に対応してg mも変わるという結
果は、環境に応じて g m が臨機応変に変化するという74光合成研究20 (2) 2010た。得られたA、gmと式（1）を用いて、Ci - Ccを計算

よって、低CO 2下におけるg mは大きく変化した。ちな

すると、200 ppm CO2において、2% O2下で31 ppm、

みに、2% O2下では、f の値を変えても、gm はほとん

21%

O2下で34

ppmと、O2濃度によらずほぼ一定でど変わらなかった。このように、光呼吸が gm の計算あった。したがって、式（1）より、2% O2、200 ppmに与える影響についても、注意する必要がある。

CO 2 におけるg m の増加は、Aの増加を伴っていたとい

6. おわりにえる。
以上の結果をもとに、低CO 2条件下におけるgmの増

本稿では、炭素安定同位体法による g m の求め方に加が、光合成に与える影響について考察する。低始まり、最新の研究の現状について解説してきた。今

CO2、21% O2下では、光呼吸によるRubiscoのCO2固定

後、TDLASの普及により、誰でも簡単にg m を見積も効率の低下が、光合成速度の低下に影響していると考れる時代が来ると予想される。しかし、 g m はあくま

えられる。一方で、2% O2下では、光呼吸が抑えられでも推測値であるため、 g m の解釈には、十分な注意

るので、C cが光合成を律速している可能性が高い。こが必要であることを、心に留めておいてもらいたい。

のような条件下では、gmの増加によってCcが大きくな

例えば、光合成速度が低い原因を考察するのに、気孔ることで、光合成速度の増加に繋がったと考えること

やRubiscoでうまく説明できないものを、g mのせいにもできる。しかし、低CO2下におけるgmの増加は、O2

してしまい、間違った結論を導いてしまうこともあ

条件に依存しないと主張する論文8)もあり、g mの増加る。今の技術では g m を直接測定することは出来ないの意義については、まだはっきりとした結論は出ていため、モデルを使ってg mを推定している限りは、このない。

ような間違いを避けることは難しい。しかし、CO 2をO2濃度により、低CO2下におけるgmが異なる理由と透過させるアクアポリン（c o o p o r i n） 2 ) の解析や、して、光呼吸がΔに影響を与えている可能性も考えら

T D L A Sを用いた詳細な測定、炭素安定同位体モデルれる。式（2）において、光呼吸の炭素安定同位体分の改良7)により、g mの性質、そしてg mの正体が、次第

別係数 f は、一定であると仮定されており、本研究にに明らかになりつつある。gmがCO 2固定効率の向上においても、過去の知見9)より f = 11.6‰ という値を用

繋がるかどうか？この質問の答えを出すのは、そう遠いている。しかし、実際に、光呼吸が光合成のΔに、い未来の話ではない。

どの程度影響を与えているかについては様々な説があ

なお、4月号の会報の研究紹介記事において、寺島り、まだ決着がついていない。試しに、係数 f の値をが、約2ページにわたって葉内CO2コンダクタンスに関変えて、 g m の C O 2 依存性を計算した結果を図 3 に示して解説している10)。興味のある方は、そちらも併せす。ご覧の通り、21% O2下では、仮定する f の値にて読んで頂きたい。

謝辞
本稿で紹介した研究は、筆者がオーストラリア国立大学に在籍中に、John R. Evans 博士とSusanne vonCaemmerer 教授の指導の下、おこなったものであり、両氏に深く感謝したい。また、適切なコメントを下さった寺島一郎教授、本稿作成の機会を与えて下さった野口航准教授には、この場を借りて厚く御礼を述べたい。

Received July 9, 2010, Accepted August 5, 2010, Published図3 光呼吸の炭素安定同位体分別係数（f）がgmのCO2依存性に与える影響
タバコの成熟葉を用いて、光強度1500 μmol photon m-2 s-1、
21% O2、葉温25oC、様々なCO2条件下で測定を行った。gm
はf = 11.6‰9) （◆）、またはf = 0‰（△）と仮定して計算した。 (Tazoe, Y., von Caemmerer, S. & Evans, J.R. 未発表）

August 31, 2010

参考文献
75

光合成研究 20 (2) 2010
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8. Flexas, J., Diaz-Espejo, A., Galmés, J., Kaldenhoff, R.,
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variations of mesophyll conductance in response tochanges in CO2 concentration around leaves. Plant,
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9. Lanigan, G.J., Betson, N., Griffiths, H. and Seibt, U.
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Carbonisotopefractionation
duringphotorespiration and carboxylation in Senecio. Plant
Physiol. 148, 2013-2020.
10. 寺島 一郎 (2010) 葉が緑色なのは緑色光を効率よく利用するためである, 光合成研究 20, 15-20

Measurement of the Mesophyll Conductance with Carbon Isotope Method
Youshi Tazoe*
Graduate School of Biostudies, Department of Plant Gene and Totipotency, Kyoto University76光合成研究20 (2) 2010

解説特集「 光合成細菌―研究材料としての魅力―」

Editor永島賢治(首都大学東京 理工学研究科 生命科学専攻）

序文
永島

賢治

(首都大学東京 理工学研究科 生命科学専攻）
P. 78

光合成細菌を利用する研究の今後を考える
嶋田敬三（首都大学東京 名誉教授）
P. 79 〜 83

光栄養細菌の多様性−ゲノムおよびメタゲノム解析から見えてきたもの−平石明（豊橋技術科学大学 環境・生命工学系）
P. 84 〜 92

巨大アンテナ系クロロソームを構成するバクテリオクロロフィル分子：
その生合成の解明と今後の展開
原田二朗1、大岡宏造2、民秋均3（ 久留米大学医学部医化学講座、 大阪大学大学院理学研究科生物科学専攻、3立命館大学総合理工学院）
1

2

P. 93 ~ 99

緑色硫黄細菌の非循環型の光合成電子伝達系
塚谷

祐介1、浅井智広2、大岡宏造2（ 1ペンシルバニア州立大学 生化学分子生物学科、2大阪大学大学院理学研究科生物科学専攻）
P. 100 ~ 108

紅色光合成細菌における光捕集タンパク質の多様性大友征宇（茨城大学 理学部）
P. 109 ~ 11777

光合成研究 20 (2) 2010

解説
序文‡
首都大学東京 理工学研究科 生命科学専攻
永島

賢治*

光合成のメカニズムや環境応答あるいは進化を研究する上で、光合成細菌はそのシンプルな体制や遺伝子操作の自由度の高さから、きわめて優れた材料であると言える。今日、光合成で働く様々な色
素タンパクや電子伝達タンパクなど比較的大きな膜タンパク質複合体の詳細な立体構造が広く研究に活用されているが、その端緒を付けたのは紅色光合成細菌の反応中心複合体の X 線結晶構造解析であった。クロロフィルやカロテノイドなど色素合成の酵素遺伝子の同定や、その発現を調節する様々なセンサータンパクの発見も、1980年初頭の紅色光合成細菌 Rhodobacter capsulatus における光合成遺伝子クラスターのクローニングに端を発している。本特集ではこうした光合成細菌の魅力に惹かれ、国内で精力的に研究を続ける方々に執筆をお願いした。シンプルで扱いやすいとは言え、一方で多様性に富む光合成細菌の分類と、近年急速に蓄積してきたゲノム解析に関するトピックスの紹介を平石明氏にお願いし、紅色光合成細菌の光捕集タンパクを題材とした色素タンパクの機能・構造の相関関係を大友征宇氏に、ご自身の研究も含め解説していただいた。また、若手研究者である原田二朗、塚谷祐介の両氏を中心に、緑色細菌の新しい色素合成経路の同定と光合成電子伝達経路の解析について、それぞれ執筆していただいた。両氏の記事からは研究現場の試行錯誤とその先にある“夢”が感じ取れるのではないかと思う。本特集は同年３月に行われた嶋田敬三氏の退職記念シンポジウム「光合成細菌：色素タンパク質からの広がり」をきっかけに企画されている。その嶋田敬三氏からは長年に渡る光合成細菌の研究において未だ解明されていない事象や、氏の経験に基づいた研究のヒントなどを寄稿していただいた。
本特集のように光合成細菌の研究解説記事が日本語で書かれているという例は珍しい。それだけ国内での光合成細菌研究のポピュレーションが小さいということでもあるのだが、本特集が光合成の研究を志す国内の若い人たちに魅力的なものとして写ってくれれば幸いである。また、光合成の研究を進めるうえで技術的な困難に突き当たったとしても、多様な光合成細菌を使い分けることで案外簡単にクリアできるかもしれないという感触を持っていただければ、これも幸いである。光合成細菌には研究のブレークスルーに繋がる秘密がまだまだ隠されていると筆者は思っている。

‡

解説特集「光合成細菌* 連絡先 E-mail:―研究材料としての魅力―」

nagashima-kenji@tmu.ac.jp78

光合成研究20 (2) 2010

解説

光合成細菌を利用する研究の今後を考える‡
首都大学東京 名誉教授
嶋田 敬三*
1. はじめに究材料とするのはやや問題があることが認識されてき光合成研究において光合成細菌は C.B. van Niel がた。そのひとつの例として反応中心結合型チトクロム

光合成の一般式 CO2+2H2A → (CH2O)+H2O+2A を示すの問題がある。ゲノム情報を含めて多くの光合成細菌

きっかけとなった実験をはじめとして、 L . M . N .

の反応中心に関する情報が増えつつあるが、それにDuysens の光合成初発反応におけるクロロフィルの光よればRhodobacter属のように反応中心結合型チトク

酸化を示した実験、そして酸素発生型光合成生物よりロムを持たない種はむしろ少数派で、多くの種が反かなり先んじた反応中心タンパクの単離、構造決定と応中心複合体のサブユニットとしてヘムcを４つ持ついうように、要所要所で光合成研究材料として重要な

チトクロムを持つことが解ってきた 1) 。反応中心結合役割を果たしてきた。その後の酸素発生型光合成生物型チトクロムを持たない種は紅色光合成細菌のうちの反応中心構造決定により、すべての（狭義の）光合

通性嫌気性のものとプロテオバクテリアα- 4サブクラ

成生物の反応中心の基本的構造の共通性が示され、スの好気性光合成細菌の中にのみ見出されており、ほ生物の行う光合成の際立った特徴である高効率の電ぼすべての嫌気性光合成細菌は反応中心に結合した4荷分離反応の原理はすべての光合成生物に共通であろ

ヘム型チトクロムサブユニットを持ち、通性嫌気性やうという認識を与えた。すなわち、いまだ解決され好気性の光合成細菌でも反応中心にチトクロムサブユ

たとは言いがたい電荷分離反応の効率の高さの理由

ニットを持つ種は少なくない（表1）。反応中心チトを研究する材料として光合成細菌は依然有力な材料でクロムサブユニットを持たない種が系統的にまとまっあると言える。さらに、やはり十分に解決されたとていないことから、少なくとも紅色光合成細菌反応は言いがたい光捕集系における励起エネルギー転移

中心の原型はチトクロムサブユニットを持ち、その中機構の研究材料としても色素の存在状態が酸素発生型

から酸素に適応したいくつかの種がそれぞれ独立に

光合成生物ほど多様でない光合成細菌の利用は有効

チトクロムサブユニットを欠失させたと考えられていであるに違いない。

る。

本稿ではこれらの光合成に関わる未解決問題へのこのように、4ヘム型チトクロムサブユニットは光

手がかりとなり得るような光合成細菌を材料とする合成細菌に一般的に見られるものであるが、その存研究課題を二つばかり紹介したいと思う。

在意義は未だに判然としていない。すなわち、電荷分離後の反応中心スペシャルペアカチオンへの電子供

2. 反応中心結合型チトクロム

与体としてスペシャルペアの近傍に高電位（中点電位

光合成細菌を使った光合成機構の研究は、最初に反+250〜400 mV程度）のヘムcが存在すること自体は電応中心結晶構造が決められた Bastochloris viridis を除

荷再結合反応防止という意味で合理的であるが、な

いては、おおむね形質転換系の確立したRhodobacterぜ 4 つもヘムが必要なのか、さらにこの 4 ヘムの中に属（Rba. sphaeroides, Rba. capsulatus）を用いて研究が必ず中点電位−100〜＋100 mV程度の低電位のヘムが進められてきた。しかし近年、光合成細菌の光合成電含まれている意味が不明なのである。多くの場合これ

子伝達系はかなり多様でありRhodobacter属のみを研

ら 4 つのヘム c はスペシャルペア側から高電位、低電‡解説特集「光合成細菌―研究材料としての魅力―」* 連絡先 E-mail: shimada-keizo@tmu.ac.jp79光合成研究 20 (2) 2010
表1

代表的光合成細菌の電子伝達タンパク
分類群
種名

酸素依存性

チトクロム
サブユニット電子供与体（候補）

Pheospirillum molischianum

嫌気性

4ヘム型

cyt c2

Rhodospirillum rubrum

通性なし

cyt c2

Acidiphilium rubrum

好気性

4ヘム型

?

Rhodobium marinum

通性

4ヘム型

HiPIP*, cyt c2

Blastochloris viridis

嫌気性

4ヘム型

cyt c2

Rhodopseudomonas palustris

通性なし

cyt c2

Rhodobacter sphaeroides

通性なし

cyt c2

Rhodovulum sulfidophilum

通性

3ヘム型

cyt c2m, cyt c2

プロテオバクテリア
α-１

α-2

α-3

Roseobacter denitrificans

好気性

4ヘム型

cyt c2α-4Erythrobacter longus

好気性

なし

cyt c549/cyt c550

βRubrivivax gelatinosus

通性

4ヘム型

HiPIP, cyt c8

Rhodocyclus tenuis

嫌気性

4ヘム型

HiPIP, cyt c8

Allochromatium vinosum

嫌気性

4ヘム型

HiPIP, cyt c8

Thermochromatium tepidum

嫌気性

4ヘム型

HiPIP, cyt c8

Ectothiorhodospira shaposinikovii

嫌気性

4ヘム型

HiPIP

Chloroflexus aurantiacus

通性

4ヘム型

auracyaninγ

Chloroflexi*

High Potential Iron-Sulfur Protein

位、高電位、低電位の順で配置されており（図1）、が、3番目は高電位ではなく極端な低電位のヘムcで、表面荷電アミノ酸残基の置換実験よりスペシャルペ

さらに4ヘム型で可溶性電子伝達体からの電子の直接

アから最も遠い低電位のヘムに可溶性C型チトクロムの受容体である4番目のヘムは欠失している。この3ヘや高電位鉄イオウタンパク（HiPIP）などの電子伝達

ム型反応中心はRhodovulum属に共通であるが、これ体からの電子が渡されることが示されている。したが電子伝達体からどのように電子を受容しているか興がって、電子は高電位可溶性電子伝達体 → 低電位ヘ

味のあるところである。Rhodovulum属の代表種であム →高電位ヘム → 低電位ヘム → 高電位ヘム → スペ

るRhodovulum sulfidophilumではチトクロムc2 も反応中

シャルペアと移動すると考えられるが、この流れの中

心チトクロムサブユニットへの電子供与体として機能には2ヶ所も最大 300 mV 以上の電位に逆らうup-hillのしうるが、むしろ我々がチトクロムc 2 m と呼んでいる過程が含まれることになる 。

膜結合型のチトクロムが主な電子供与体と思われる

1)

我々はこの4ヘムサブユニットの存在と構成の意義

3)。このチトクロムc2m はN末端に膜貫通へリックスをを明らかにすることは、光合成を含めた電子伝達シ

一本持ちC末端側にチトクロムc 2 に相同なチトクロム

ステムの原理にも迫ることになると考え、好気培養

ドメインを持つが、特徴的なのはこの間のプロリン -が可能な Rubrivivax gelatinosus をプラットフォームとグルタミン酸-アラニンに富むかなり長いスペーサー

して、構造が解明されている Bastochloris viridis 反応

部分で、その長さの意味はまだ解っていない。

中心結合型チトクロムの4つのヘムそれぞれの酸化還以上のように反応中心結合型チトクロムとその周辺

元中点電位を周辺アミノ酸残基の置換により変動さの電子伝達系に関わる研究分野は電子伝達系そのもせ、電子伝達速度に対する影響を見ているが、まだのの本質的理解に対して多くのヒントを与える興味あ

低電位ヘムの存在意義は十分説明できるには至ってる分野であると我々は考えている。

いない 。ひとつの手がかりとして、Rhodobacter属に
2)3. 細胞内膜の形態と構造近縁で海洋性のRhodovulum属ではこの反応中心チト
クロムサブユニットが4ヘム型ではなく、3ヘム型であ光合成細菌は光合成条件下で特徴的な細胞内膜るという事実がある。Rhodovulum属の反応中心チト（intracytoplasmic

クロムサブユニットではスペシャルペア側から高電Rhodobacter属や多くのγ‐プロテオバクテリア光合成細位、低電位というところまでは4ヘム型と同じである菌（紅色イオウ細菌）の持つ小胞状のクロマトフォア

80

membrane）を形成する種が多い。

光合成研究20 (2) 2010

ようなものが形態に関係するとも考えられたが、たとえば L H 2 を合成しない種でも小胞状のもの(Rhodospirillum

rubrum)もラメラ状のもの(Rhodobium

marinum, Blastochloris viridis)もあるように、小胞状かラメラ状かの違いの原因については結局未だに明らかになっていない。さらに、RubrivivaxやRhodocyclusな
どのβ-プロテオバクテリアでは光合成条件下でもあまり細胞内膜を作らないことが知られており、光合成タ
ンパク自体はα-プロテオバクテリアの紅色細菌とほぼ同じであることを考えると、細胞内膜の合成および形態には光合成タンパク以外の要因を考えねばならな
いことになるだろう。たとえば膜脂質の種類や脂肪酸組成、さらに脂質の合成制御機構にも目を向ける必要がありそうであるが、いずれにせよ異なる内膜形態を持ついくつかの種を使う必要があると思われる。
光合成細菌の光合成膜（主に細胞内膜）の構成に
紅色光合成細菌 Blastochloris viridis の反応中心複合体

関しては他にも未解決と思われる問題がある。それ

チトクロムサブユニットに含まれる４つのヘムとバクテリオ

は、他の一般的生体膜にも共通する問題でもあるがクロロフィルの二量体（スペシャルペア）を酸化還元中点電

各機能タンパクの膜内あるいは膜上における配置の問

図1

位（Em）と共に指し示した。ポリペプチド鎖の色は赤がチ題である。

トクロム、青がL、緑がM、黄がHの各サブユニットをそれ

紅色細菌では光捕集系はLH2、RC-LH1から構成さぞれ示している。構造データは Deisenhofer et al (1995) J.

れるがLH2に吸収された光エネルギーはほぼロスなく

Mol. Biol. 246, 429-457 に基づいている。

RC-LH1に移動する5)。すなわちLH2を励起しても定常と 呼 ば れ る 細 胞 内 膜 が 有 名 で あ る が 、測定系ではLH2からの蛍光はほとんど観測されずLH1

Rhodopseudomonas palustris などプロテオバクテリアからの蛍光のみが観測される。時間分解測定ではLH2

α- 2サブクラスの光合成細菌のようにラメラ状の細胞の励起後 3 ps 程度で励起エネルギーはRC-LH1に移動内膜を持つものも少なくない 。プロテオバクテリア

していることが知られている 6) 。このことはLH2は直α- 1サブクラスのように近縁種でも内膜形態が小胞状

接ないしは他のLH2を介して常にどれかのRC-LH1に（Rhodospirillum

rubrum）、あるいは重層ラメラ状

機能的に繋がっていることを示している。つまりLH2（Rhodospirillum photometricum）というように系統分

は一瞬たりともRC-LH1あるいは隣のLH2から離れる類と対応しない場合もある。α-プロテオバクテリアのことがないことになり、それぞれの位置関係はかな

通性嫌気性紅色細菌では好気条件から嫌気条件へのり固定化されていることを意味すると考えざるを得な変化に伴う光合成タンパクの合成と内膜合成がほぼ平い。すなわち、細胞内膜などのいわゆる光合成膜では行して起こることから、反応中心(RC)-LH1複合体や膜の流動性はほとんどなく、主要膜タンパクである

LH2が細胞内膜の主構成成分であることは確かと思わ

LH2、RC-LH1は固定化した光捕集ネットワークを形れるが、膜脂質の合成も同時に起こっていることは忘成していると考えられる。近年AFMなどの観察でRC-れてはならない。内膜形成機構については1960から70

LH1、LH2とおぼしき粒子は観察されるが、b/c 1複合

年代にかけて盛んに研究されたが、材料とされた種体やATP合成酵素と思われる粒子が同じ領域にあまりがほとんど小胞状内膜を持つ種であったため膜形態見られないことが問題となっているが 7 ） 、これは上に関する情報は得られていない。いくつかの光合成タ記の固定的アンテナ系の配置と無関係ではないと思ンパクの変異体が異常な形態の細胞内膜を形成したこわれる。いずれにせよ膜タンパク間の相互作用がかなとから、たとえばRC-LH1複合体やLH2の比といったり強いものとすれば、その要因は明らかにすべきもの

4)81

光合成研究 20 (2) 2010

であり、他の光合成生物のアンテナ系や一般的な膜Received July 23, 2010, Accepted July 24, 2010, Publishedにおけるタンパク間の相互作用に対しても有用な情報

August 31, 2010となると考えられる。
これまで調べられた限りでは、通性嫌気性紅色細菌

謝辞

におけるRC-LH1とLH2の合成制御機構は異なっていることが知られており、RC-LH1のみが合成される条

本稿で紹介した研究のうち、反応中心結合型チト

件はあるが、野性株でLH2のみが合成されることはな

クロムの研究に関しては永島賢治氏が中心となって行い。しかし、我々は両者が合成される条件では相互われているものであり、多くのご教示をいただいた。

の合成量は無関係ではないことを示しており 8 ) 、この相互の合成調節がタンパク合成レベルのものか、ある

引用文献

いは上記のような膜上でのアンテナネットワーク形

1. 	

 Nitschke, W. and Dracheva, S. M. (1995) Reaction
center associated Cytochromes, In Anoxygenic
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2. 	

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8.	

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(1988) Changes in the content of pigment-protein
complexes in Rhodobacter sphaeroides f. sp.
denitrificans grown under photosynthetic and photo-

成あるいはパッキングというような物理的要因であるかを確かめることも必要であると考えている。
葉緑体のチラコイド膜を含めて膜の形態や膜内でのタンパクの配置、相互作用を決めている要因について
は光合成に関わる研究課題のひとつかと思われるが、光合成細菌はやはりその有力な研究材料であろう。

4. おわりに
筆者の光合成細菌との出会いは、実は光合成生物というよりも生体膜材料としてであった。しかし、生体膜材料としても色で存在が見やすいことは研究をず
いぶん楽にしてくれたし、その後やや必然的に色素タンパクを扱うようになっても、色が指標になるのは当初無色のタンパクを扱っていた身にとって大変ありがたいことだった。光合成そのものの研究でも光合成生物の持つ色素の存在は存分に利用されているが、上記のような膜タンパクの相互作用や構築過程を見る研究においても色のあること、色素の吸収や蛍光を指標とできることは他の材料よりかなり有利な点であると考えている。光合成生物の中で光合成細菌は水の酸化能力こそないものの、上述のように反応中心や電子伝達系、光合成膜構造の基本原理の解明のほかに、たとえば色素タンパクの構築過程の研究材料としても、クロロフィルのフォーム（存在状態）が少な
く見分けやすいことや、カロテノイドも共役系の長さの異なるものが使われていて分子種の見分けが容易と思われる点で酸素発生型光合成生物より有利な材料と思われる点があり、変異体作成の容易さも考慮すれば、今後も多くの研究課題にも活用できると信じ
ている。

82

光合成研究denitrifying conditions. Biochim. Biophys. Acta 936,332-338.

Prospect of Future Work Using Photosynthetic Bacteria

Keizo Shimada*
Department of Biological Sciences, Tokyo Metropolitan University83

20 (2) 2010

光合成研究 20 (2) 2010

解説

光栄養細菌の多様性­ゲノムおよびメタゲノム解析から見えてきたもの­‡
豊橋技術科学大学 環境・生命工学系
平石
1. はじめに明*て紹介する。なお、ここでは混乱を避けるために、特光栄養細菌 (phototrophic bacteria) は、光エネルギー

記しない限り、葉緑素をもつ細菌ドメインの原核生物を利用して生体膜を介したプロトンの電気化学ポテン

のみを光栄養細菌として呼ぶことにし、その他の光栄

シャル差を形成し、化学エネルギーに変換する細菌の養原核生物については、適宜BR含有微生物、PR含有総称である。光栄養細菌の中で炭素源として二酸化炭細菌といった表現を用いる。

素を利用するものは、特に光合成細菌 (photosynthetic

2. 系統・分類およびゲノミックスの現状

b a c t e r i a )と呼ばれる。実際は、多くの光栄養細菌がCO 2 固定能をもつので、光合成細菌と光栄養細菌は同

光栄養細菌の記載は古く19世紀後半にまでさかのぼ義語として使われている場合が多い。これらは、一般る。それ以来、もっぱら細胞形態、酸素発生の有無、に細菌ドメイン (domain Bacteria) に属する、クロロ

硫黄粒子の形成、培養液の色、光合成色素の型などのフィル(Chl)あるいはバクテリオクロロフィル(BChl)を表現型に基づいて分類が行われてきた。糸状性酸素非含有する光栄養原核生物を指す。狭義には、藍色細菌

発生型光栄養細菌 (filamentous anoxygenic phototrophic（シアノバクテリア）を除いた光栄養細菌、すなわ

bacteria、以下糸状性光栄養細菌と呼ぶ)、緑色硫黄細ち、酸素非発生型光合成を行う細菌群を指す場合もあ

菌 (green sulfur bacteria)、藍色細菌 (cyanobacteria)、紅る。とはいえ、藍色細菌の分類は国際光栄養細菌分類

色硫黄細菌 (purple sulfur bacteria)、紅色非硫黄細菌委員会(Theof(purple nonsulfur bacteria)という呼称は、このような性

phototrophic bacteria of the International Committee on状に基づく慣用名である。1 9 8 0年代から本格化した

Systematics of Prokaryotes) の管理下にあり、光栄養細16S rRNA の塩基配列に基づく系統・分類法は光栄養菌の括りの中で分類体系が構築されている。

細菌にもいち早く適用され、高次分類体系の大幅な改

Subcommittee

on

the

taxonomy

光エネルギーを利用する原核生物は、葉緑素型の光

善・再編が行われてきた。そして、2005年のバージェ栄養細菌だけではない。ある種の好塩アーキアは光駆

イズ・マニュアル第 2 版の出版によって、完全ではな

動のプロトンポンプであるバクテリオロドプシン

いにしろ階層分類体系がひとまず完成した。現在、糸(bacteriorhodopsin, BR) を有し、光従属栄養的に増殖す状性光栄養細菌、緑色硫黄細菌、藍色細菌、ヘリオバる。さらに、 B R 類似のプロテオロドプシン

クテリア、紅色細菌の各光栄養細菌は、それぞれ対応(proteorhodopsin, PR)を有する細菌も存在する。現在、する門として分類されるに至っている（表 1 ）。また

これらのBR含有アーキアやPR含有細菌も光栄養微生

2007年に、温泉試料のメタゲノム解析によって、アシ物として取り扱われている。

ドバクテリア門 Acidobacteria 内に酸素非発生型好気性

本稿では、光栄養細菌の多様性に関してその基礎と光栄養細菌(aerobic

anoxygenic

phototrophic[AAP]

なる系統・分類体系についての現状を述べるとともbacteria)としての光栄養原核生物が初めて見つかったに、ゲノミックス・メタゲノッミクスの適用によって1)得られてきた多様性や生態に関する最近の知見については、古くから行われてきた形態や光合成色素などの‡解説特集「光合成細菌* 連絡先―研究材料としての魅力―」

E-mail: hiraishi@ens.tut.ac.jp84。しかし、緑色硫黄細菌や藍色細菌の属・種につい光合成研究表1

20 (2) 2010

光栄養細菌の系統群
和名／慣用名門（phylum）

光化学系

酸素

光栄養性

I

II

発生

嫌気

好気

糸状性光栄養細菌

クロロフレクサス（Chloroflexi）

–

＋

–

＋

−

緑色硫黄細菌

緑色細菌（Chlorobi）

＋

–

–

＋

–

藍色細菌

藍色細菌（Cyanobacteria）

＋

＋

＋

–*

–*

クロラシドバクテリア

アシドバクテリア（Acidobacteria）

＋

–

−

–

＋

ヘリオバクテリア

ファーミキューテス（Firmicutes）

＋

–

–

＋

−

紅色細菌

プロテオバクテリア（Proteobacteria）

–

＋

–

＋

＋

*

藍色細菌は嫌気、好気に関係なく光合成を行うが、副産物として酸素を発生するので自動的に好気条件になる。

表現型分類と分子系統との不一致が解消されておら希薄なまま種名が付けられた菌株を用いて全ゲノム解ず、特に藍色細菌においては目(order)以下の分類体系析が行われているものも多い。

については混乱している（後述）。

3. 糸状性光栄養細菌

1996年、藍色細菌 Synechocystis sp. PCC6803 株の全ゲノム解析データが報告された 2 ) 。これが光栄養細菌

クロロフレクサス門は糸状性光栄養細菌と化学栄養を対象とする全ゲノム解析の最初の例であり、全生物

細菌 (chemotrophic bacteria) が混在する系統群であり、種の中では3番目にあたる。それ以来、藍色細菌を中下位分類群としていくつかの綱が設定されている。光

心として多数の光栄養細菌株について全ゲノムデータ

栄養細菌はすべてクロロフレクサス綱 Chloroflexi、クが報告・公開されており、本稿の執筆時点で1 0 0例近ロロフレクサス目 Chloroflexales に集中しており、近くになっている。これまで報告された光栄養細菌株の縁の化学栄養細菌群として同綱内にヘルペトシフォン

ゲノムサイズは1.7〜9 Mbの範囲にあるが、最小、最大

目 Herpetosiphonales がある。糸状性光栄養細菌は通性のゲノムとも藍色細菌の種で報告されている 3 - 5 ) 。ま嫌気性の光従属栄養細菌である。光・嫌気条件下ではた、メタゲノム解析からは1.44 Mbの藍色細菌のゲノム

光化学系II型のBChl a-結合反応中心を形成して酸素非が得られている（後述）。全ゲノム解析が完了してい発生型光合成を行うが、光捕集系としてクロロソーム

る主な酸素非発生型光栄養細菌を表 2 に示す。系統的を形成するもの(Chloroflexus、Chloronema、およびには紅色非硫黄細菌および緑色硫黄細菌が多く報告さ

O s c i l l o c h l o r i s ) としないもの ( H e l i o t h r i xおよびれており、ヘリオバクテリアや紅色硫黄細菌の解析例

Roseiflexus) とに分けられる。クロロソームには補助色はまだ少ない。

素として BChl c あるいは BChl d およびカロテノイド

全ゲノム情報は光栄養細菌のみならず、原核生物全が含まれている。しかし、同じくクロロソームをもつ体の分類体系の構築に貢献するものとして大きな期待

緑色硫黄細菌とは異なり、F e n n a - M a t t h e w s - O l s o nがあったが、いざ蓋を開けてみると、機能不明なORF（FMO）タンパク質を欠く。

が多数存在することや系統間を越える遺伝子の水平伝

全ゲノム解析は Chloroflexus および Roseiflexus の既播の事実が多数見いだされ、分類体系の構築に新たな知 種 で 完 了 して お り 、 硫 化 物 酸 化 能 が あ る

課題を突き付ける形となっている。そもそも原核生物

Chlorothrix、Chloronema、Oscillochloris の各属菌種での種の概念は確立されておらず、ゲノムDNAの雑種交も進行中である。これらの細菌のゲノムサイズは4〜6

雑形成率の70%を便宜的な遺伝的同一種の境界としてM b であり、クロロフレクサス綱内の化学栄養細菌いる。また、この遺伝的境界に相当する 16S rRNA 遺Herpetosiphonのそれよりもやや小さい。ゲノム解析

伝子の配列は平均で98.7〜99.0％であるが6)、100%の

データはまだほとんど誌上発表されていないが、米国

配列の相同性をもつ菌株同士であっても、70%以下のイエローストーン国立公園の温泉微生物被膜から分離

DNA-DNA交雑形成率を示す例が少なくない。過去、された Roseiflexus sp. のゲノム解析では、独立栄養性

特に緑色硫黄細菌や藍色細菌の種は、多くが形態・培を示唆するヒドロゲナーゼや3-ヒドロキシプロピオン

養生理学的特徴のみ、あるいは 16S rRNA 遺伝子の配酸回路が存在することが確認されている 7 ) 。一方、硫列のみに基づいて記載されており、分子遺伝的根拠が化物酸化活性をもつ菌（Oschillochlorisなど）には3-ヒ85

光合成研究 20 (2) 2010
表2

全ゲノム解析が完了した主な酸素非発生型光栄養細菌*1
菌種・菌株*2門

ゲノムサイズ(Mb)

GC
含量(mol%)

ORFの数

嫌気性光栄養細菌
Chloroflexus aurantiacus J-10-flT

クロロフレクサス

5.26

56.6

3,966

Chloroflexus aggregans DSM 9485T

クロロフレクサス

4.68

56.4

3,903

Roseiflexus castenholzii DSM 13941T

クロロフレクサス

5.72

60.7

4,559

"Chlorobium chlorochromatii" CaD3

緑色細菌

2.57

44.3

2,096

Chlorobium limicola DSM 245T

緑色細菌

2.76

51.3

2,576

Chlorobium phaeobacteroides BS1

緑色細菌

2.74

48.9

2,611

Chlorobium phaeobacteroides DSM 266 T

緑色細菌

3.13

48.4

2,848

Chlorobium phaeovibrioides DSM 265 T

緑色細菌

1.97

53

1,870

Chlorobaculum parvum NCIB 8327T

緑色細菌

2.29

55.8

2,133

Chlorobaculum tepidum TLS T

緑色細菌

2.15

56.5

2,340

Chloroherpeton thalassium ATCC 35110 T

緑色細菌

3.29

45

2,710

Pelodictyon luteolum DSM 273 T

緑色細菌

2.36

57.3

2,187

Pelodictyon phaeoclathratiforme BU-1T

緑色細菌

3.02

48.1

2,969

Prosthecochloris aestuarii DSM 271 T

緑色細菌

2.51

50

2,451

Heliobacterium modesticaldum Ice1T

ファーミキューテス

3.08

57

3,269

Rhodospirillum rubrum ATCC 11170T

プロテオバクテリア

4.35

65.4

3,987

Rhodocista centenaria SWT

プロテオバクテリア

4.36

70.0

4,002

Rhodopseudomonas palustris TIE-1

プロテオバクテリア

5.74

64

5,377

Rhodopseudomonas palustris CGA009

プロテオバクテリア

5.46

65

4,921

Rhodopseudomonas palustris BisA53

プロテオバクテリア

5.51

64.4

5,026

Rhodopseudomonas palustris BisB5

プロテオバクテリア

4.89

64

4,549

Rhodopseudomonas palustris BisB18

プロテオバクテリア

5.51

64

5,072

Rhodopseudomonas palustris HaA2

プロテオバクテリア

5.33

66

4,825

Rhodobacter capsulatus SB1003

プロテオバクテリア

3.74

66.0

3,587

Rhodobacter sphaeroides 2.4.1T

プロテオバクテリア

4.13

68.8

4,372

Rhodobacter sphaeroides ATCC 17025

プロテオバクテリア

3.22

68.5

4,531

Rhodobacter sphaeroides ATCC 17029

プロテオバクテリア

4.42

69.0

4,320

Rhodobacter sphaeroides KD131

プロテオバクテリア

4.45

68.7

4,325

Allochlormatium vinosum DSM 180T

プロテオバクテリア

3.53

64

3,190

Halorhodospira halophila SL1T

プロテオバクテリア

2.67

68.0

2,514

Acidiphilium cryptum JF-5

プロテオバクテリア

3.39

67.1

3,746

"Citromicrobium bathyomarinum" JL354

プロテオバクテリア

3.27

65.0

3,401

Dinoroseobacter shibae DFL-12 T

プロテオバクテリア

3.79

65

4,321

Erythrobacter litoralis HTCC 2594

プロテオバクテリア

3.01

63.1

3,102

Methylobacterium extorquens PA1

プロテオバクテリア

5.47

68.2

5,012

Methylobacterium extorquens AM1

プロテオバクテリア

5.51

68

5,075

Methylobacterium radiotolerans JCM 2831T

プロテオバクテリア

6.08

71.5

6,588

Roseobacter denitrificans OCh 114T

プロテオバクテリア

4.13

59

4,229

好気性光栄養細菌*1

Genomes OnLine Database (GOLD) v 3.0 (http://www.genomesonline.org/）による。
上付きTで示した菌株はその種の基準株。引用符で囲んだ種名は非正当名の種。

*286

光合成研究20 (2) 2010

ドロキシプロピオン酸回路の主要酵素はなく、炭酸固5. 藍色細菌

定系はカルビン回路である8)。

藍色細菌は生物の進化や多様性、そして現在の生物

4. 緑色硫黄細菌

地球化学的循環を考える上で重要な光栄養細菌であ

緑色細菌門 Chlorobi は、従来緑色硫黄細菌のみで構る。ゲノム解析においても光栄養生物の中で最も進ん成される系統群と思われてきたが、緑色硫黄細菌群とでいる。しかし、多様性研究の基盤となる藍色細菌門

深い分岐を示す化学栄養細菌イグナヴィバクテリア綱内の分類体系は今なお混乱している。国際細菌命名規

Ignavibacteriaが提唱され、従来の緑色硫黄細菌の種は約に照らし合わせた正当な属名もH a l o s p i r u l i n a、

すべて緑色細菌綱 Chlorobea (Chlorobia)として分類さPlanktothricoides、Prochlorococcus、Prochloron、れた9)。緑色硫黄細菌は光化学系Iの反応中心、クロロ

Prochlorothrix、Rubidibacterの6属しかない（多くは、ソーム、および BChl a 結合 FMO タンパク質を有す

基準株を２カ国以上の culture collection に寄託するとる。また、還元型硫黄化合物を電子供与体として二酸いう条件を満たしていないことによる）。この混乱ぶ化炭素を固定し、光無機独立栄養的に生育する。

りは、Synechococcus属とされている種・株が藍色細菌

緑色硫黄細菌のゲノムサイズは2.1〜3.3 Mb（ORF数を構成する３つの分岐群（下記）にまたがって存在しは2,000〜3,000）であり、他の光栄養細菌のそれに比ていることからもわかる。また、現存のべると小さい（表 2 ）。ゲノミックスの比較データか

Prochlorococcus marinus 菌株も異なる属を構成するとらは、1,400〜1,500の遺伝子が共有されていることが考えられる雑多な集団である。

わかっており、その中には特徴ある光合成色素の合成

藍色細菌は、ゲノム構造に基づいてGloeobacterなど

経路とともに、硫化物、水素、還元鉄などの酸化能、からなる分岐群（clade）A、Nostocなどが含まれる分

還元的TCA回路による炭酸固定系なども確認されてい岐群B、およびProchlorococcusを中心とする分岐群Cのる。カロテノイド合成系は、他の系統の酸素非発生型

3群に分かれることが示されている 1 3 ) 。その中で、3 9光栄養細菌よりもむしろ藍色細菌のそれに近い。一個のタンパク質がほとんどすべての種に特有なものと方、有機物の取り込みに関わると思われる遺伝子や転して見られた他、それぞれの分岐群に多くのsignature

写制御の遺伝子は少なく、また、2成分系シグナル伝が存在する。たとえば、分岐群Cのフラボタンパク質

達ではたらくヒスチジンキナーゼを大部分欠いていには 6 aa 挿入セットが、分岐群C内のProchlorococcus

る。緑色硫黄細菌の大部分は光混合栄養性の性質も有marinusのヘムオキシゲナーゼには 2 aa 挿入セットおしているが、ゲノミックスのデータは、これらの細菌

よびプロトクロロフィリド酸化還元酵素における 1 aa

が光無機独立栄養に特化した狭い環境条件での生育様欠失セットが見られる。しかし、分岐群に特有な遺伝式に進化してきたことを示している10, 11)。

子の多くは機能がよくわからないタンパク質をコード

緑色硫黄細菌は、その名の通り培養液が緑色を呈すしている。

る菌種と茶色になる菌種とに大別される。これらは主各門に属する酸素非発生型光栄養細菌が比較的狭い

要葉緑素 (BChl c, d, e) とカロテノイド色素の化学成分

範囲のゲノムサイズを持つのに対し、藍色細菌のゲノ組成に由来している。従来、これらの色に関する性質

ムサイズは範囲が広い（上述）。これは藍色細菌が非や細胞形態などの表現型に基づいて種が記載されて来常に多様化しながら進化して来たことを示唆していたため、その分類体系は分子系統やゲノム構造と一致る。Prochlorococcusは海洋において最も多数を占める

しない部分が多い。たとえば、16S rRNA と FMO 遺伝藍色細菌の一つであるが、同種あるいは近縁種と思わ子に基づく系統関係はほぼ一致するが、培養液の色やれる本属細菌においてゲノムサイズが大幅に異なるこ

光合成色素の組成とは対応せず、表現型の違いもふまとが報告されている3, 4)。このようなゲノム構造の違い

えて属レベルで明確な輪郭を引くことが難しくなっては、生息環境の深度に応じた異なる生態型（ecotype）

いる。この中で、中度好熱菌 Chlorobium tepidum はとして現れている 1 4 ) 。海洋中に広く分布している

Chlorobium

vibrioforme

UCYN-Aと名付けられた藍色細菌15-17)は、メタゲノム

subsp. thiosulfatophilumとともにChlorobaculum属として解析でその存在が明らかにされた。この細菌はゲノム再分類されている12)。

サイズが1.44 Mb、ORF の数が 1,199 しかなく、カル

chlorovibrioides、Chlorobium

87光合成研究 20 (2) 2010

ビン回路やTCA回路などの代謝機能を欠いている。さは、形態や生態などの特性が明確になっている場合にらに光化学系 I I がなく光化学系 I のみの反応中心をも限り、Candidatusという条件付きの学名をつけることつ。したがって、酸素発生もしないと推察される。光ができる22)。ただし、Candidatusは国際細菌命名規約

合成の進化や生態的意義を考える上で興味深い生物で上にはない概念なので、新属、新種として発表するこある。

とはできない。クロラシドバクテリアはCandidatusの

地中海において最大値の葉緑素濃度を示す深度部分

概念で学名が付けられた最初の光栄養細菌である。

のメタゲノム解析では、強光適応型のProchlorococcus
marinus、Synechococcus、Candidatus

7. ヘリオバクテリア

Pelagibacter（後述）が優占していること、そして細胞サイズの画分にヘリオバクテリアはファーミキューテス門、クロス

多数のウイルス（シアノファージ）が存在することがトリディア綱 C l o s t r i d i a 、クロストリディア目

報告されている18)。ProchlorococcusやSynechococcusに

C l o s t r i d i a l e sに属する絶対嫌気性の光栄養細菌であ感染するウイルスは、藍色細菌由来の光合成遺伝子

り、土壌中の嫌気的環境を主な生息域とする。光化学（psbAやhliなど）をもつが、宿主感染中にそれらの遺系 I の反応中心をもち、その電子供与体およびアンテ

伝子が発現してウイルスのカプシド遺伝子と同時転写

ナ色素として BChl g を用いている。BChl g は、酸素されることが明らかにされている19)。また、感染中に存在下で光エネルギーを吸収すると Chl a 様物質へとは宿主の光合成遺伝子の発現量が低下する一方、ウイ

異性化することが知られている。

ルスゲノムの複製が光合成機能の１つとなり、宿主にヘリオバクテリアのゲノム解析は他の光栄養細菌のよる光合成関連タンパク質の生産を補っているらし系統に比べると遅れている。 H e l i o b a c t e r i u m

い。このような宿主とウイルス間での遺伝物質の移動

modesticaldum Ice1Tは 3.1 Mb の環状ゲノムと 3,138 のが双方の遺伝的および機能的な多様性に影響を与えてORFをもつ 23) 。このゲノム上には、カルビン回路、3-いると考えられる20)。

ヒドロキシプロピオン酸回路などの独立栄養性に関わる遺伝子が見当たらず、本菌が有機従属栄養性という6. クロラシドバクテリア

表現型とも一致する。また、紅色非硫黄細菌

クロラシドバクテリアは、イエローストーン国立公

Rhodobacter capsulatus の光合成遺伝子群に相同な遺伝園のアルカリ性温泉堆積物のメタゲノム解析によって子が、BChl合成酵素遺伝子を除いてほとんど見当たら見つかったAAP細菌であり、アシドバクテリア門に属ない。Heliobacterium modesticaldum はそのゲノムサイ

する 1) 。光栄養細菌としてAAP細菌のみを含む系統はズと合わせて、代謝機能を合理的に進化させた生物とこれまで本門以外には知られていない。"Candidatus

考えられる。すなわち、光エネルギーの利用性はある

Chloracidobacterium thermophilum"と名付けられたこのものの、他の系統の光栄養細菌とは異なり有機従属栄

AAP細菌は好気条件下における集積培養で光従属栄養養性に特化した性質をもつ細菌と考えられる。厳密に的に生育し、BChl a および BChl c を生合成する。ま言えば、本菌は光栄養細菌ではあるが光合成細菌ではた、光化学系 I の反応中心およびクロロソームをもないということになる。

つ。本菌から分離・生成された BChl a 結合 FMO タン

8. 紅色細菌

パク質は、緑色硫黄細菌のそれとは異なる特徴ある分光特性をもつことから、この違いは好気的光栄養性を嫌気的光合成を行う紅色細菌はすべてプロテオバク

示すことと関係があるのではないかと推察されているテリア門に属し、さらに紅色非硫黄細菌はアルファプ。

ロテオバクテリア綱 Alphaproteobacteria およびベータ

光栄養細菌を含めて原核生物の新種の発表は、そのプロテオバクテリア綱 Betaproteobacteria に、紅色硫種の純粋培養株が2カ国以上の culture collection に寄託

黄 細 菌 は ガ ン マ プ ロ テ オバ ク テ リ ア 綱

されていることが前提となる。しかし、DNAクローン

Gammaproteobacteriaに含まれる24)。特に紅色非硫黄細解析やメタゲノム解析が進んでくると、純粋分離は困

菌は、光栄養細菌の中でも最も多様な生育特性をもつ難であるがD N Aの配列上では存在が確認できる新規菌群であり、光無機独立栄養、光無機従属栄養、光有原核生物が多数出てくる。このような微生物に対して

機従属栄養、化学無機独立栄養、化学有機栄養、好気

21)

88

光合成研究20 (2) 2010

呼吸、嫌気呼吸、発酵など、さまざまな様式で生育す

属細菌34)や、外洋に広く生息する多くの海洋性AAP細ることができる。また、紅色細菌の一部の菌種は還元菌はこの例である。

鉄25, 26)や亜硝酸塩を酸化する能力がある27, 28)。

海洋性 A A P 細菌は、一般的な海洋の表層域に分布

多くの紅色細菌株において全ゲノム解析が完了してし、その存在量は微生物の全生物量の10％以上にまでおり、2.3〜5.7 Mbのゲノムサイズが報告されている。

達すると言われており、一次生産や生物地球化学的循

ゲノムサイズは紅色非硫黄細菌よりも紅色硫黄細菌で環に重要な役割を果たしていることが指摘されている

小さい傾向があるが、解析完了株はアルファプロテオ

3 5 )バクテリア綱の特定菌種に集中しているため、紅色細500-2379 m の深度の高い海洋からも見つかっている

菌全体を比較するという段階までには至っていない。

36)

この中で、Rhodopseudomonas palustris CGA009株のゲ

bathyomarinum"

ノミックスデータは紅色非硫黄細菌の生理学的多様性

細菌と同様な3.3 Mbの大きさであるが、光合成遺伝子を裏付けている 29) 。本菌ゲノムの15%が輸送に関する群（オペロン）を２つ持つという特徴がある 3 7 ) 。

遺伝子であり、一般の細菌ゲノムにおけるそれ（ 5 〜

Roseobacter6％）と比べると割合が高い。

Dinoroseobacter shibae DFL12T株39)のゲノム解析ではカ。また、 A A P 細菌は海底の熱水噴出孔周辺や。深海 A A P 細菌である " C i t r o m i c r o b i u m
JF354株のゲノムは、他の海洋性AAP

denitrificans

OCh114T株38)およびOdaら30)は Rps. palustris の複数菌株（表2に示す

ルビン回路が検出されず、光合成よりも光混合栄養あCGA009株以下の5株）についてゲノム構造を比較した

るいは光従属栄養的な代謝をもつことが示されてい結果、同一種でありながらそれらのゲノムに多様性がる。

見られることを報告している。しかし、この比較では従来、海洋性AAP細菌の純粋分離株はアルファプロ

本菌種の基準株が用いられておらず、そもそも解析さテオバクテリア綱に属する種しか知られていなかっれた菌株が Rps. palustris であるという遺伝的根拠がなた。ところが、海洋表層水のメタゲノム解析の結果、い。事実、puf 遺伝子や16S-23S rDNA スペーサー領域

ベータプロテオバクテリアやガンマプロテオバクテリを用いた比較解析では、当該の Rps. palustris 菌株の中アに属するものも広く生息していることが明らかとで、本菌種と同定できたものは C G A 0 0 9 株のみであなってきた40-43)。

り、他の4株はRhodopseudomonas属の他菌種あるいは新種とすべき菌であった31)。

9. BR含有細菌とPR含有細菌

紅色細菌の反応中心タンパク質の遺伝子p u fは、ア

バクテリオロドプシン（ B R ）は光によって活性化

ルファプロテオバクテリアとベータプロテオバクテリするプロトンポンプであり、アポタンパクであるバクアの間で水平伝搬したことが報告されている 3 2 ) 。一

テリオオプシンと発色団レチナールからなる色素タン

方、紅色硫黄細菌内の菌種では、系統を反映できる

パク質である。B R含有の高度好塩アーキアは好気性

マーカーとして報告されている33)。

であるが、嫌気・光条件下でも生育できる。B Rは当初アーキアに発見され、細菌ドメインには知られていなかった。しかし、バクテロイデス門Bacteroidetesに

9. AAPプロテオバクテリア
AAP細菌の研究は、1978年に好気性のメタノール資属するSalinibacter ruber DSM 13855T株の全ゲノム解析

化性細菌（現在のMethylobacterium属細菌）によるにおいて、この細菌が4つのBR様遺伝子を含むことがBChl a 生産が報告されたことに端を発する。そしてほわかった44)。そのうちの１つはPRと類似するが、残りぼ同じ時期に BChl 含有の海洋性細菌（Erythrobacterの3つは好塩アーキアのBRと相同性があり、アーキア

や現在のRoseobacter）が発見された。前記のクロラシと細菌の間のドメインを越えた水平伝播が推察されドバクテリアを除けば、これまで分離されたAAP細菌

た。Salinibacter ruberのPR様構造はレチナールタンパ

はすべてプロテオバクテリア門に属している。AAP細ク質とカロテノイドから成る色素タンパク複合体であ菌の生息域を見ると貧栄養環境が多く、呼吸基質が不り、キサントロドプシン（xanthorhodopsin）と名付け足しがちな生理学的状態を光エネルギーで補っている

られている45)。

ことが推察されている。たとえば、鉱山排水などの無プロテオロドプシン（PR）は、海水由来の大量ゲノ

機酸性環境に生息する亜鉛型BChl aをもつAcidiphilium

ムD N A断片のメタゲノム解析からB Rと似た働きをす89

光合成研究 20 (2) 2010

るタンパク質として見つかった46, 47)。その後のメタゲ

謝辞

ノム解析により、海洋やその他の水域に系統学的に多様な P R 遺伝子が広範囲に分布していることがわかり

本稿の内容の一部は、2010年3月に開催された嶋田、光栄養生物としてのPR含有細菌の潜在的役割が

敬三先生退官記念シンポジウム「光合成の研究が培っ重要視されるようになった。さらに、細菌とアーキアてきたもの」で紹介したものである。筆者と光栄養細（テルモプラズマ目Thermoplasmatales）間のPR遺伝子菌との関わりにおいて、常に有意義なご助言とご指導の水平伝播も示唆されている51)。

をいただいた首都大学東京名誉教授嶋田敬三先生、な48-50)

らびに本稿執筆の機会を与えていただいた首都大学東PR含有細菌として、海洋中での偏在が明らかになったSAR11群がある50)。この系統群は、アルファプロテ

京准教授永島賢治先生に深謝の意を表する。

オバクテリア綱リケッチア目と系統的類縁性があり、非常に小さな細胞をもつ。"Candidatus

Pelagibacter

Received July 4, 2010, Accepted July 15, 2010, Publishedubique"はSAR11群に属する細菌として初めて培養さ

August 31, 2010

れ、高圧滅菌した海水中でも、天然の海洋中でも P R
遺伝子を発現することがわかった。しかし、この遺伝
子は明暗のどちらの条件下で培養しても発現され、細引用文献

胞の増殖速度や細胞収量には違いがなかった。 P R 含

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PR含有細菌の自然界での偏在性によって、光栄養微生物の研究は新局面を迎えている。この点に関して課
題や展望が総説されている53, 54)。

10. おわりに21世紀になって新しいDNAシークエンシングの原理に基づいたゲノムシークエンサーが登場し、低コスト
かつ比較的簡単にゲノム情報が得られるようになってきた。2010年の時点での原核生物の全ゲノム解析実績
は、解析中のものを含めると約6 , 0 0 0例に達する。近い将来、光栄養細菌を含めた全ての原核生物記載種のゲノムデータが揃うことになるかもしれない。ゲノミックスおよびメタゲノミックスは、新しい藍色細菌、A A P細菌、P R含有細菌の発見とともに機能に関する様々な新情報をもたらすなど、光栄養生物に関する従来の概念や常識を塗り替えつつある。今後さらに、進化、多様性、機能、生態などを統合的に解釈できる手段としてこの分野での中心的役割を果たしていくだろう。
ゲノムベースでの解析は今後ますます加速されることは間違いないが、そのためには比較対照となる純粋分離株の分類と系統の整備が必要であり、微生物遺伝
資源保存機関の役割がさらに重要になってくる。その上で、多様性の基盤となる種の概念についての科学的見解が深まって行くことを期待したい。

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光合成研究20 (2) 2010

解説

巨大アンテナ系クロロソームを構成するバクテリオクロロフィル分子：
その生合成の解明と今後の展開‡
1
2

久留米大学医学部医化学講座

大阪大学大学院理学研究科生物科学専攻
3

立命館大学総合理工学院

原田二朗1* 、大岡宏造2、民秋
1. はじめに

均3

ロフィル分子が自己集積化されていることに起因す

緑色硫黄細菌は Chlorobia 綱に属し、光合成のみでる。吸収された光エネルギーは、クロロソームの基生育する絶対嫌気性の光合成細菌である。硫化物など底部にあるベースプレートと F M O タンパクを介しの還元硫黄化合物を電子源とし、硫黄温泉や部分循環て、タイプ1反応中心複合体へと伝達される。もとも湖の低深水部にある嫌気層などの限られた環境に生息と我々の研究の興味は、この一連の光エネルギー伝している。そのような環境には必ずしも十分な太陽光

達系と、引き続き起こる電子移動反応にあるが、こが届くとは限らず、通常の光合成生物が生育できない

こ数年は、光捕集に関わるバクテリオクロロフィル

ほど微弱光であることも少なくない。しかし緑色硫黄(BChl) 色素の生合成に関する研究も行ってきた。そ細菌はクロロソーム と呼ばれる高効率な光捕集膜外の理由は、ある種の緑色硫黄細菌において、クロロ

アンテナ装置をもっているため(図1)、地表に届く太陽ソーム内の色素が環境によって変化するという興味

光の0.1%以下の光環境下でも生育可能である。後述す

深い現象に遭遇したからである。原因を探ると、1つるようにクロロソームの優れた光捕集能力は、他のアの色素合成酵素にたどり着いた。その合成酵素の変

ンテナ系とは比べにものにならないほど高密度にクロ異体を作製することで、まだ謎の多いクロロソーム

1)の構造研究に新たな展開の糸口が見え始めている。
本稿は、まず色素の自己会合体からなるクロロソー
ムの構造を簡単に紹介し、BChlの生合成系を研究し始めた経緯と我々の得た知見について解説する。

2. クロロソームの構造と内在するバクテリオク
ロロフィル分子の特徴
クロロソームは種々の膜タンパク質を含んだ脂質
一重膜と基底部のベースプレートによって外枠が構成されている、20〜200 nmスケールの楕円形状の小胞である (図1) 。この小胞は、基底部のベースプレー
トとF M Oタンパクを介して細胞質側の膜表面に結合しており、その近傍には反応中心複合体が存在す
図1 緑色硫黄細菌の光合成器官の模式図
黄色い矢印は、光エネルギーの伝達経路を示す。

‡

解説特集「光合成細菌* 連絡先る。内部には約1.4〜2.15 x 105分子2)の BChl c、d ま―研究材料としての魅力―」

E-mail: jiro_harada@med.kurume-u.ac.jp93

光合成研究 20 (2) 2010

ルが提唱されており、未だ明らかとなっていない。
クロロソームが巨大なアンテナ複合体であるために構造解析が容易ではなく、分光学的解析および各種顕微鏡観察等によるデータの蓄積が、構造の解明に不可欠である。

3. Chlorobaculum parvumで観察された、クロロ
ソーム内の色素組成の変化
我々が色素合成系の研究を行うきっかけとなったのは、緑色硫黄細菌 Chlorobaculum (Cba.) parvum(Chlorobium vibrioforme f. sp. thiosulfatophilum より改
名 5 ) )の継代培養を続けていると、クロロソームを構成する色素分子種の比率が変化するという現象に気づいたからである 6 ) 。クロロソーム内の色素は種に

図2 BChl c, d および e の分子構造
これらの色素は、C3 1位のエピマー体と、C8位およびC12位に異なる側鎖を持ったホモログ体の混合物として生体内に存在する。自己会合体の形成に必要な側鎖を、丸によって示した。

よって異なり、BChl c、d および e のどれか1種類であるのが一般的である。ところが過去の文献を調べてみたところ、Cba. parvum NCIB 8327株は、培養条件によってクロロソーム内の色素組成が変化するこ

たは e が存在している (図2) 。これらの色素分子は、とが報告されていた7)。我々はこのNCIB 8327株の色

BChl c を基に構造を比較すると、C20位のメチル基が素組成変化に興味をもち、BChl

水素原子であるのが BChl d で、C7位のメチル基がホBChl d のみを持つ亜株を単離した（それぞれC亜株

ルミル基となっているのが BChl e である。これら側およびにD亜株とする）6)。一方、NCIB 8327株と同鎖の違いによって BChl d と e のQy帯の吸収極大は、一株であるDSM 263株では BChl c と d が同一細胞内BChl c と比較して、それぞれ10 nmと15 nmほど短波長に混在し、それぞれの比率は約9 4 %と6 %であった 8 )シフトしている (BChl c, 660 nm; BChl d, 650 nm; BChl

（我々は16S rDNAの解析から、NCIB 8327株とDSM

e, 646 nm：これらの値は有機溶媒アセトン中で測定し263株は同一株であることを確認している。DSM 263

たモノマー状態の吸収極大を示す) 。またBChl c/d/e

株を263亜株とする。）。前項で述べたように、2つ分子は、生体内ではC3 位におけるRとSの立体異性体の色素の構造上の違いはC 2 0位のメチル基の有無で(エピマー)とC8位とC12位に異なるアルキル鎖をもつある(図2)。我々は同一株から、異なる色素組成を示

同族体(ホモログ体)の混合物として存在している。ク

す亜株が発生する原因を探るため、C 2 0位メチル基

ロロソームの構造において、これらBChl色素の大きな転移酵素（BchU）をコードするbchU遺伝子の塩基配

特徴は、その内部で色素だけの自己会合体を形成して列を解析した。その結果、D亜株ではbchU遺伝子の1いる点である。これは BChl c/d/e の分子構造自体に由箇所で1塩基(アデニン)挿入によるフレームシフトが来しており、C 3 位の反応性の高いヒドロキシ基が、起こったため、酵素が不活化していることが分かっ

近傍の2分子のBChlとの間でそれぞれC13位のケト基た(図3)。これは、Marescaらが同亜株を用いて解析しと水素結合、中心マグネシウムと配位結合することでた変異と一致していた9)。一方、BChl cを合成するC（Mg···O—H···O=C) 超分子構造が形成されている (図1,

亜株と263亜株とでは、BchUのアミノ酸配列のうち32) 。この形成にはタンパク質が一切関与せず、他の光残基のみ異なっており、このわずかな違いが、異な合成生物がもつ色素とタンパク質の複合体であるアン

る色素組成を示す原因と推察された。ここで興味深

テナ系とは本質的に異なっている。この自己会合によいことに、263亜株にはD亜株で確認された変異と同る超分子構造は、これまでロッドモデルで説明される

じ箇所にアデニン塩基が存在していた(図3) 10) 。しか円柱形状であると考えられてきたが 、近年になってしその5塩基後のアデニンが欠失しており、結果としラメラータイプ やシートロールタイプ と新しいモデてbchUのフレーム自体に影響はなく、活性をもつ酵

1

1

1)

3)

4)

94

c

のみ、あるいは光合成研究20 (2) 2010

応じてbchU遺伝子の発現のon/offが突然変異によって行われているとしたら面白いのだが、現在のところ
想像に過ぎない。

4. C20位メチル基転移酵素BchUの基質認識と反応機構
上記のようにbchU遺伝子の発現は、BChl c と d の合成に大きく関わっている。これらの色素の生合成
経路は緑色硫黄細菌 Cba. tepidum (Chlorobium tepidum
図3 Cba. parvumのC亜株、D亜株および263亜株のbchU遺伝
子の部分配列と対応するアミノ酸配列の比較。
塩基配列において、D亜株で挿入失活の原因となったアデニ
ンを赤で示している。また、2 6 3亜株の塩基配列に存在してないアデニンを青で示している。アミノ酸配列では、C亜株と異なる配列を白抜きのアミノ酸で示している。

より改名 5 ) )のゲノム解析と分子生物学的解析から明らかとなりつつある 1 2 ) 。クロロフィル色素の中で最初に合成経路が解明されたのは紅色細菌の BChl a であり、後にその功績は酸素発生型光合成生物のクロロフィル (Chl) a 合成経路の決定に大きく貢献した。
c

合成経路の解明はこれらの研究が基盤とな素が発現していることがわかった。これらの結果か

BChl

ら、我々は以下の仮説を考えている。Cba. parvum NCIB

り、関連酵素の殆どが (B)Chl a 合成経路で働く酵素

8327株は、自然界より BChl d をもつ株として単離さ遺伝子のオーソログもしくはパラログであった。しれている7)。この時点ですでにD亜株で観察された1塩かしbchU遺伝子は紅色細菌のカロテノイド合成経路

基(アデニン)の挿入変異が起こっており、bchU遺伝子で働くメチル基転移酵素遺伝子c r t Fと高い相同性をは不活化されていたと考えられる。その後様々な機関持っていた 9 ) 。b c h U欠損株の色素組成を調べると、に株分けされ継代培養を繰り返すうちに、不活化した

他の部位の修飾基には全く影響を与えず、C20位のメ

bchU遺伝子にさらに変異が導入され、再びタンパクとチル基だけがない BChl d を合成していた。そのためして翻訳されるようになった。つまり2 6 3亜株では挿BchUがC20位のメチル基転移酵素であることは明ら

入塩基の5つ後のアデニンの欠失、C亜株では挿入したかであるが、BchUが BChl c 生合成経路上のどの段階

アデニンの欠失が起こったのであろうと考えている。

で働くかについては結論が得られないままであっ

また、C亜株とD亜株を用いて2つの色素の生理的機能た。そこで我々は、精製BchUを用いて人工的に合成の違いを調べた結果、BChl c は d よりも菌体の生育にした数種類の色素と反応させ、BchUの基質特異性を有利に働き、特にD亜株はわずかな酸素の混入でも著調べることにした。その結果、BchUはS-adenosyl-

しく生育阻害を受けることが分った11)。また、BChl cmethionine（SAM）をメチル基供与体とし13)、C31位をもつ株は BChl d をもつ株よりも微弱光での生育がの側鎖にヒドロキシ基を持つ色素に対して最も高い

速いことも報告されている6,9)。これらの違いが選択圧

反応性を示すことがわかった ( 原田ら未発表デー

として働き、D亜株の不活化bchU遺伝子に復帰突然変タ)。また、C 3 1 位にヒドロキシ基をもっていれば、異を生じさせたと思われる。

C82位とC121位のアルキル鎖の構造が異なるホモログ
体にも反応することが可能であった。

この解析を行って我々が疑問を抱いているのは、自然界から BChl d をもつ菌株の単離の報告が頻繁にあBchUの基質認識と反応機構について分子レベルでることである。BChl c は BChl d よりも細菌にとっての詳細な情報を得るために、この酵素の結晶構造解有利に働くのは実験室内でのことであり、自然界にお析も行った14,15)。分解能2.27Åの構造解析には成功し

いては BChl d をもつことの優位性があるのではない

たが、残念ながら基質となる色素との複合体を得るか と 推 測 して い る 。 し か し な が ら 自 然 界 に お いてことができなかった。しかしモデル計算に基づき、BChl d をもつ種のすべてが、不活化されたbchU遺伝

SAMからのメチル基転移反応はTyr246が触媒残基と子を持っているのかは現在のところ不明である。本して働く典型的なSN2反応であることが示唆された。

来、野生株として BChl d をもつ種は存在せず、環境に

さらに、基質のC3 1 位ヒドロキシ基に対するBchUの高い特異性には、Asn153とAsp286の関与が予想され

95

光合成研究 20 (2) 2010

た。実際、これらのアミノ酸の部位特異的変異体を作で、C 3位がビニル基である3 -ビニルバクテリオクロ

製したところ酵素活性の著しい低下が見られ、我々のロフィリド d (ピロクロロフィリド a)が合成される

推測は妥当であった。

（図4）。この色素のC8 2位とC12 1位には、それぞれBchQとBchRによりメチル基が付加されてホモログ体

5. BChl c/d/e の生合成経路が生じる。その後、 C 3 位のビニル基が水の付加に

このようにB c h Uの基質特異性を明らかにすること

よって 1 - ヒドロキシルエチル基に変換され、バクテができたので、BChl c/d/e の合成に至る経路について

リオクロロフィリド d ホモログが生成する。この反考えてみたい 16) 。全てのクロロフィル色素分子は、ヘ応ではC 3 1 位がRとSの立体構造になるエピマーが生

ムを含むテトラピロール代謝経路から分岐して合成さじるが、それぞれBchFとBchVが触媒する。次にこれれる。プロトポルフィリンIXから クロロフィリド a まらC 3 1 位にヒドロキシ基をもつ色素に対して、B c h U

では、ほぼ全てのクロロフィル色素において共通であがC20位にメチル基を導入する。BchUはこれらC82位

ると考えられ、クロロフィリド a に特異的な酵素が働とC121位のホモログ体、C31位のエピマー体の全てをくことにより各色素分子の合成経路へと分岐してい修飾することが可能である。最後に B c h K によってく。BChl c の合成経路もクロロフィリド a から分岐

C17位上にファルネシル基が付加され、BChl c ホモ

し、1 3 2 位のメトキシカルボルニル基が脱落すること

ログ・エピマーが産生される。一方、BChl d の合成経路に関しては、BChl c の合成経路からBchUの反応段階がな く な っ た 経 路 と 考 えら れる。さらに BChl e においては、BChl c の合成経路上に、C 7位メチル基のホルミル化反応が加わった経路によって合成されると考えられる。BchU
はC 7位ホルミル基を有する色素に対する反応性が低いことから、C20位のメチル化よりも後でホルミル化反応が起こると推測される。しかし現在の所、このホルミル化酵素については同定されていない。

6.

BchUの変異体解析によるクロロソーム研究の新たな切り口
このように我々はBchUを中
心にクロロソーム内のBChl合成 に 関 す る 研 究 を 行 って きた。最近、この酵素遺伝子の変異体を解析することにより、クロロソーム内のBChlの
図4 緑色硫黄細菌におけるBChl c, d および e の生合成経路
青い点線の丸は、修飾酵素が反応した後の部位を示す。R8はエチル基, n-プロピル基またはiso-ブチル基 (BChl eのみネオペンチル基)。R12はメチル基またはエチル基。

96

自己会合体形成に関する研究を新たな切り口で展開していくヒントが得られているので

光合成研究20 (2) 2010

紹介しておきたい。本稿の最初にも述べたが、クロロソームの詳細な構造については今でも議論が続いている。クロロソームを構成する大部分が色素の自己会合体であり、近年、色素変異体を用いた比較実験に基づいて、その構造モデルを検証しようとする研究が行われている4)。そこで我々も Cba. parvum DSM 263株がbchUの変異によって同一生体内にBChl c と d の両方の色素を持っていることに着目した。これらの色素が生体内でどのように分布しているのかが分かれば、自己会合体に関する知見が得られるのではないかと考えたのである。このような着想には、過去の同様な研究において 2 つの異なる見解が導き出されているという背景がある。宮武らは BChl c と d をそれぞれ生体から

図6 BChl d 含量の変化に伴うクロロソームのQy帯ピーク
波長の変化
実測値(赤丸-赤実線)とシュミュレーション値(青丸-青実線)
を比較した。実測値は図5の測定結果をプロットした。シュミュレーションは、図5の0% BChl dと100% BChl dの値を用いて算出した。

抽出し、in vitroで混合して再構成させたクロロソームを解析した結果、両方の色素は同一のクロロソーム内に存在し、混ざりあった自己会合体を形成することを報告している17)。ところがSteensgaardらは、BChl c と dが1:1で混在する Cba. limnaeum (Chlorobium limicolaよ生体内で発現させれば、同一種由来で BChl c/d 組成り改名5)) UdG 6040株を用いた解析から、両色素は同が異なる株が得られ、上記の見解のどちらが正しい

一クロロソーム内に存在するが、それぞれドメインをかを判定することができるのではないかと考えた。

もっており、互いに独立した会合体を形成すると主張

そこで Cba. tepidum のbchU欠損株を作製し、これをしている18)。前者の結果については in vivo でも反映さ親株として変異bchU遺伝子を導入した数種類の変異

れるかという点に疑問が持たれ、また後者の解析につ株を得た。単離したクロロソームの色素組成を解析

いては比較対象が少ないため、2つの色素の生体内でしたところ、BChl c と d の全量に対する BChl d の割の局在については明確な結論が得られていない。我々合は、野生株で0%、親株（bchU欠損株）で100%とはこれまでの研究の中で、B c h Uの立体構造から予想なるが、得られた変異株は38、52、86と94%であっされる基質結合部位に変異を加えることにより、メチた。このような段階的に BChl d の割合が異なるクロル基転移活性が部分的に低下する変異酵素をいくつか

ロソームを単離し、低温紫外可視吸収スペクトルを見出している。このような変異BchUを Cba. tepidum の測定したところ、クロロソームのQ y 帯における吸収極大の波長は、BChl d の割合が多くなるほど短波長側にシフトしているのが観察された ( 図 5 ) 。また Q y
ピークの波長を BChl d の割合に対してプロットし、シミュレーションから得られた結果と比較した ( 図6)。このシミュレーションは BChl d の割合が 0% と100%のクロロソームのデータを用いたものであり、上述のSteensgaardらの見解である「クロロソーム内でBChl c と d が各々別の会合体を形成」したときを想定している。実測結果はシミュレーションとは異なり、BChl d がある程度以上の割合で存在しない限
り、Q y ピークの大きな短波長シフトは起こらないことが分かった。今回は示していないが、別の解析で

図5 Cba. tepidumのbchU変異体から単離したクロロソームの77Kにおける紫外可視吸収スペクトル測定

もシミュレーションとは異なる結果が示されている

97

光合成研究 20 (2) 2010

ことから、我々は BChl c と d は同一クロロソーム内
で、混ぜ合わさった自己会合体を形成しているとい

Received June 30, 2010, Accepted July 15, 2010,

う、宮武らの見解を in vivo でも支持する結論に至っ

Published August 31, 2010た。しかしながらSteensgaardらの結果を支持しなかった理由として、自己会合体の形成方法が種によって異参考文献なっているという可能性は否定できない。

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このように我々は変異株を用いて BChl c と d の色
素組成が異なるクロロソームを作製することができる
ようになり、自己会合体色素の物理化学的性質を研究する上で良い材料を提供するものと期待している。また BChl c/d の組成比の違いによる励起エネルギー移動
効率を評価することも可能である。これについては、
今後解析予定である。

7. おわりに
クロロソームに存在するBChlの生合成経路に関する理解が10年前と比べて飛躍的に深まったのは、言うまでもなく近年のゲノムプロジェクトの成果と C b a .
tepidumで形質転換系が確立したことによる。まだ同定されていない合成酵素の探索も急がれるが、今後は経路全体を含めた制御、および他の代謝系との関わりに研究の興味が移っていくと考えられる。特に合成された大量の色素がクロロソームに運ばれて組織化する機構は、巨大アンテナ系のバイオジェネシスとして重要な研究課題の一つとなるであろう。このことは、未だ長い論争に決着がついていないBChlの自己会合体を含めたクロロソームの構造解明にも深く関わってくる問題である。個々の研究から全体に展開できるのは、光合成システムが複数の機構からなる大きなネットワー
クをもつからであり、これは現在の光合成研究の1つの流れである。我々の緑色硫黄細菌の研究も個から全への広がりに目を向け、光合成研究全般に貢献したい。

謝辞
本稿で紹介した我々の研究の遂行は、共同研究者の日々の絶え間ない努力の上に成り立っている。この場を借りて感謝を申し上げる：Robert E. Blankenship教
授 (ワシントン大学)、福山恵一教授、和田啓助教 (大阪大学)、佐賀佳央准教授(近畿大学)、野口正人教授(久留米大学)、高橋俊介、大角重明(立命館大学)、

Aaron M. Collin、Jianzhong Wen (ワシントン大学)各君。

98

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Bacteriochlorophyll Molecules Assembled in a Huge Antenna Complex, Chlorosome,of Green Sulfur Bacteria: Its Biosynthesis and New Frontier
Jiro Harada1*, Hirozo Oh-oka2, and Hitoshi Tamiaki3
1

2

Department of Medical Biochemistry, Kurume University School of Medicine
Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, Osaka University
3
Institute of Science and Engineering, Ritsumeikan University99

光合成研究 20 (2) 2010

解説

緑色硫黄細菌の非循環型の光合成電子伝達系‡
ペンシルバニア州立大学 生化学分子生物学科

1

2

大阪大学大学院理学研究科生物科学専攻

塚谷
1. はじめに祐介1,* 、浅井智広2、大岡宏造2

2. 1．緑色硫黄細菌反応中心のサブユニット構成

植物が2つの光化学反応中心（光化学系Ⅰと光化学系

緑色硫黄細菌 Chlorobaculum (Cba.) tepidum の反応中Ⅱ）を利用する一方で、「光合成細菌」と総称される

心のサブユニット数は4つで、それぞれpscA~pscD遺伝

微生物群は、どちらか1つだけの反応中心しか持たな子にコードされる 1) 。PscAがホモダイマーを形成するい。よりシンプルな光合成様式を持つことから、光合

コアサブユニット、PscBがF A /F B 蛋白質であり、それ成細菌を研究材料として用いる意義・利点は、エネル

ぞれ光化学系ⅠのPsaA/PsaBヘテロダイマーおよびPsaC

ギー変換機構の基本原理、光合成の最小ユニット、光と相同の機能を持ち、光合成初期過程の電荷分離反応

合成器官の進化等を解明するための基礎研究に適してに必要なコファクター（スペシャルペアP840, A0, A1,いる事が挙げられる。これらは将来の人工光合成系開Fx,発の土台となる重要な項目でもあり、基礎研究だけで黄細菌に特有のサブユニットであり、我々はこのシトはなく応用研究においても光合成細菌は有用である。

クロム c 蛋白質の電子伝達メカニズムに興味を持って

本稿では、光化学系Ⅰ型反応中心のみを持つ緑色硫

FA/FB）を結合している（図1）1-3)。PscCは緑色硫研究を進めてきた。

黄細菌にスポットをあてて、反応中心を取り巻く光合PscCはヘムを1分子持つモノヘム型シトクロムcであ成電子伝達系について紹介する。緑色硫黄細菌の電子り、反応中心 1 個あたり 2 分子結合している（図 1 ）伝達系は、未解明な副次的経路の存在が示唆されるも4,5)。反応中心あたり2分子存在する生理的意義は未だのの、基本的には直線的な「非循環型」で、電子源である硫化物等の還元硫黄化合物を出発点として生体還元力NADPHを生成するためのものである。植物やシアノバクテリアを研究している方々には、 Z スキームの非循環型電子伝達経路から光化学系Ⅱを除いて、さらに水と水酸化系を硫黄化合物と硫黄酸化酵素群に置き換えて考えていただくと大枠が捉えられるのではな
いかと思う。つまり、電子源の酸化で得られた電子がどのように反応中心まで渡されるのかというのが大きな謎であり興味深いところである。まずは緑色硫黄細菌が持つ光化学系Ⅰ型の反応中心複合体について触れた後に、それを取り巻く光合成電子伝達系について紹介する。

2．光化学系Ⅰ型反応中心‡

解説特集「光合成細菌

* 連絡先

図1

―研究材料としての魅力―」

E-mail: yut3@psu.edu

100

緑色硫黄細菌の光化学系Ⅰ型反応中心の模式図

光合成研究20 (2) 2010

解明されていない。PscCには膜結合ドメインと可溶性

色硫黄細菌PscDが持っている“集光性アンテナからのドメインがある。N末端側の膜結合ドメインに存在すエネルギー移動効率化 ” という主要な機能は、植物

る3つの膜貫通α-へリックスがPscAコアサブユニット

PsaDへの進化の過程で消失し、“フェレドキシンへのと強固に結合しており、ペリプラズムに突出したC末

電子伝達反応の促進”という性質がより顕在化したの端側の可溶性ドメイン（ヘム c を結合）が電子伝達反ではないかと考えている。

応を担う（図1, 2）6)。この構造と反応様式が紅色細菌のシトクロムc yと似ており、我々はPscCのことをシト

2. 2．反応中心P840からNADP+までの電子伝達

クロムc zと呼んでいる。PscCの機能は、電荷分離反応

スペシャルペアP840は光エネルギーによって励起さによって酸化したスペシャルペアP840（P840 +）を速れると電子を放出し、次のような経路で電子は細胞質

やかに還元することである。反応中心標品を用いた側のPscB（鉄硫黄センター FA/FB）まで到達すると考P840+の還元反応の時定数（t1/e）は室温では約 150 μs

えられている［P840→A 0 →A 1 →F x →F A /F B ］（図1）

であるが（速度定数 6.7 × 103 s-1）6)、標品にグリセ

1-3）

ロールを加えて溶液の粘性を上げると、その還元速度

マー内において対称的に配置されており、電子も両方は著しく遅くなる（60% (V/V) グリセロール存在下で向に移動すると推測されているが直接的な証拠はな

はt1/e = 77 ms、速度定数1.0 × 10 s-1となる）。このことい。緑色硫黄細菌の反応中心の立体構造を解明するこは、PscCはN末端ドメインで細胞膜にアンカーし、Cとが、次のブレークスルーをもたらす最も重要なス

末端ドメインはペリプラズム中に露出して大きく揺らテップであろう。反応中心あたりクロロフィル a P D

いでいることを示唆している。ごく最近、PscCの可溶（C17位に長鎖炭化水素基としてΔ2,6-phytadienolがエ性ドメインの結晶構造が決定された 7 ) 。可溶性ドメイ

ステル結合したクロロフィル a ）が 4 〜 8 分子存在しンは立体構造上クラス I 型シトクロムに分類され、11 )Starkeya novella のSorB蛋白質や緑藻 Monoraphidium

機能している。A1（二次電子受容体）は、おそらくメ

braunii のシトクロム c6 と構造的に似ていることが分ナキノンである（図1）。しかし分光学的解析では、かった。

キノンの酸化還元反応に由来する過渡的なシグナルが。P840からF xまでのコファクターはPscAホモダイ、そのうちの2分子がA 0 （一次電子受容体）として

P s c D は、植物・シアノバクテリアの光化学系Ⅰの未だに検出されていない 12) 。メナキノンは比較的緩く

PsaDと低い相同性があり、PsaDと同様に“FA/FB蛋白質

反応中心に結合し、光化学系ⅡのQ B部位のように還元からフェレドキシンへの電子伝達反応の促進8)”という型キノンが遊離するという仮説もある 1,13) 。PscBに到機能を持つのではないかと推測されてきた 9 ) 。我々は達した電子は水溶性フェレドキシンに渡される（図Cba. tepidum を用いてPscDの欠損変異株（ΔPscD株）1）14)。還元型フェレドキシンは、ferredoxin:NADPHを作製し、PscDの機能について興味深い知見を得るこ

oxidoreductase (FNR) 15)を介してNADP+をNADPHに還とに成功しているので 10) 、ここで簡単に触れておきた元する他、生体内の様々な還元反応系に利用される。

い。ΔPscD株と野生株において、FA/FB蛋白質からフェ緑色硫黄細菌にはカルビン回路は存在せず、二酸化炭

レドキシンへの電子伝達反応の効率をNADP+の光還元

素の固定には還元的TCA回路が働いている。

速度として見積もったところ、ΔPscD株ではわずかに
遅 く な って い た 。 一 方 、 蛍 光 寿 命 の 測 定 結 果 は 、

3. 反応中心への2つの電子供与経路−シトクロム

ΔPscD株において集光性アンテナ・クロロソームから

c-554とシトクロムbc複合体−

反応中心へのエネルギー移動効率が大きく低下してい前項目（ 2 . 1 . ）では、光酸化したスペシャルペア

ることを示していた。反応中心に対する光捕集蛋白質

P840 +を還元する事がPscCの機能だと述べた。その還F M Oの含量が減少しており、P s c Dは光捕集系と光化元反応によって生じた酸化型 P s c C + に電子を渡すの学系を機能的・構造的にリンクさせながら、光エネル

は、シトクロム c - 5 5 4 とシトクロム b c 複合体である

ギー移動効率を最大に維持するために働いていると考（図2）。

えられる（＊光捕集系の構造・配置については、本シトクロムc-554は、分子量10,000程度の水溶性電子号、原田博士らの解説記事中の「図1. 緑色硫黄細菌の伝達蛋白質である16-19)。緑色硫黄細菌Cba.

光合成器官の模式図」を参照していただきたい）。緑は、この蛋白質のα-吸収極大が 554 nm にあることか

101

tepidumで

光合成研究 20 (2) 2010

図2 緑色硫黄細菌の非循環型の光合成電子伝達経路の模式図
黒い矢印は電子伝達の方向を示す。

らシトクロム c - 5 5 4 と呼ばれている（近縁種の C b a .

Cba. tepidum から細胞膜を調製して閃光照射実験を行

parvumでは吸収極大が 555 nm にあることからシトク

うと、P840 + に電子を与えることにより酸化型になっ

ロムc-555と表記される）。このシトクロムc-554/555

たP s c Cが再還元される様子を観測した 2 1 ) 。これは、のα - 吸収帯は非対称で、藻類等において光化学系Ⅰ反PscCの可溶性ドメインがペリプラズム中を大きく揺ら応中心への電子供与体として機能するシトクロムc 6 のぎながら、直接シトクロムbc複合体から電子を受け取

α-吸収帯と似ている。そのためシトクロムc-554/555

るためと結論した。しかしながら細胞膜標品中に混在

は、発見当初（1968年）から反応中心への電子供与体するシトクロムc-554を介して、PscCが還元されたとではないかと推測されてきた 。2002年になってCba.

いう可能性は否定できなかった。そこで最近になっtepidumから精製したシトクロムc-554および反応中心て、シトクロムc-554の欠損変異株（Δc-554株）を作

標品を試験管内で再構成した閃光照射実験が行われ、製して閃光照射実験を行ったところ、やはりPscCの再シトクロムc - 5 5 4は反応中心への電子供与体であるこ還元が観測された22,23)。つまり水溶性シトクロムc-554とが明らかとなった（図2）19)。またシトクロムc-554の他にも、PscCを還元する電子伝達成分が細胞膜中にはP840を直接還元するのではなく、電子は必ずPscCを存在するという結論には間違いなかった。この電子伝経由してからP 8 4 0へ渡ることが示された。これは達成分がシトクロムb c複合体であることは、2種類のP 7 0 0を直接還元するシトクロムc 6 とは異なる点であ阻害剤を用いて証明したので以下に説明しておきたる。反応中心のペリプラズム側にPscCが存在するため

い。

20)

19)

にシトクロムc-554が物理的にP840までアクセスでき

一般的にシトクロムb c複合体には2つのキノン結合ないのか、それとも単純にシトクロムc-554がP840を部位（Qo, Qi）があり、ペリプラズム側のQo部位では還元できないのかは不明である。シトクロムc - 5 5 4のキノール（還元型キノン）が 2 電子酸化を受けてキノ

酸化還元電位は+130~150 mVと報告されており、ンになり、細胞質側のQ i 部位ではキノンが還元されてであるので電位だけを見れば電子キノールとなる。Qo部位で放出される2電子のうち1個

18,19)

P840は 240mV伝達は不可能ではない。

はRieske鉄硫黄センターを経てシトクロムcへ、もう1

PscCに電子を渡すもう一つの成分はシトクロムbc複個は低電位ヘムb Lから高電位ヘムb Hを経てQ i部位へと合体である。過去（ 1 9 9 8 年）に我々のグループは、流れる。Q o 部位でのキノール酸化が2回繰り返される102

光合成研究20 (2) 2010と、細胞質側のQ i 部位ではキノンが2電子還元を受けるはずである。ところが酸化されたシトクロムc - 5 5 4てキノールとなる。このキノールは再度、キノンプーの再還元反応が起こらないにも関わらず、ヘムb Hの還ルを介してQo部位で酸化されることになる。この一連元が観察された。しかもヘムbHの還元当量は、1 電子の反応で、1電子あたり2個のプロトン（H+）が細胞質当量からシトクロムc - 5 5 4の酸化当量（［シトクロム側からペリプラズム側に流れ込む計算になり、膜を介

c-554→PscC +］の反応による）を引いた量にほぼ等ししたH+の電気化学ポテンシャルが形成される。これがかった。このことは、(1)シトクロムbc複合体からシト

Mitchellの提唱したQサイクルメカニズムである24)。

クロムc-554への電子伝達は起こらないこと、(2)PscC

我々の行った実験は、それぞれのキノン結合部位に+の再還元反応はシトクロムc-554からとシトクロムbc

特異的に結合する阻害剤を使っている 2 1 - 2 3 ) 。

複合体からの互いに独立した電子伝達により進行する

stigmatellinはシトクロムbc複合体のQ o 部位に作用すこと、を意味している。つまり植物・シアノバクテリ

る。この阻害剤の存在下では、キノールの酸化が阻害

アや紅色細菌で知られているような［シトクロムb c 1 /されるためにシトクロム c へ電子が流れなくなり、

b6f 複合体 → 水溶性シトクロム/プラストシアニン →PscCの再還元が観察されなくなった。またQi部位に対反応中心］という電子伝達は緑色硫黄細菌では存在しする阻害剤 antimycin A を用いると、Qi部位での電子ない。

授受が起こらないため、酸化型 PscC の再還元とともにヘムbHの持続的な還元が見られた。このとき

シトクロムc-554からPscC+への電子伝達反応は二次反応（反応速度定数k2 = 1.7 X 107 M−1 s−1）であるため

PscCの再還元当量とヘムbHの還元当量がほぼ一致し、PscC

19)、加えるシトクロムc-554の濃度によってPscC +の再とシトクロムbc複合体は化学量論的に1対1で反応する還元反応への寄与度は異なる。シトクロムc - 5 5 4の細ことも示した。つまり緑色硫黄細菌ではシトクロム

胞内（ペリプラズム空間内）濃度を数m Mと仮定する

c-554を介さずとも、PscCは直接シトクロムbc複合体とシトクロムc-554からPscC+への反応は擬一次反応とから電子を受け取ることが明らかとなった（図2）。

なり、電子伝達反応の時定数（t1/e）は約 10 μs と見積ることができる。シトクロムbc複合体からPscC + への4．シトクロムc - 5 5 4とシトクロムb c複合体の関

電子伝達反応は約 t1/e = 150 μs である21)ことを考える

係と、細胞内ではシトクロムc-554はシトクロムbc複合

シトクロムc-554とシトクロムbc複合体は、どちら体よりも極めて効率的な電子供与体であることが分かもPscCへの電子供与体として機能することを述べた。

る。後述するが、シトクロムc-554とシトクロムbc複当然in vivoではシトクロムc-554とシトクロムbc複合体

合体は、それぞれチオ硫酸酸化系と硫化物酸化系からは共存している。紅色細菌の水溶性シトクロムc 2 は、の電子を受け取る経路上に存在する。したがって環境

シトクロムbc複合体と反応中心複合体との間の電子伝中の各硫黄源の濃度によって主要な反応経路が決定さ達反応を担っていることはよく知られている。緑色硫黄細菌のシトクロムc-554もin vivoではシトクロムbc複合体から電子を受け取り、反応中心複合体のPscCに電子を渡しているのであろうか？微生物学の教科書には
シトクロムc - 5 5 4が複合体間の電子伝達反応を担っていると記載されているが、この反応経路を実験的に確認したという報告例はこれまで無かった。
そこで我々は、Δc - 5 5 4株の細胞膜と、野生株C b a .
tepidumのシトクロムc-554 （もしくはCba. parvum由来のシトクロムc-555）を用いて再構成実験を行った23)。
図3 緑色硫黄細菌の代表種におけるシトクロムc-554/555遺伝子（ C T 0 0 7 5 オルソログ）とシトクロム c - 5 5 6 遺伝子（CT0073オルソログ）近傍の遺伝子座
Chl. ferrooxidansにおけるピンク色で示した遺伝子もシトクロ
ム遺伝子である。Ptc.はProsthecochlorisの省略形。

もしもシトクロムbc複合体からシトクロムc-554への電子伝達反応が進行するならば、antimycin A存在下で閃光照射実験を行ったとき、シトクロムc - 5 5 4の再還元反応にともなってヘムb Hの持続的な還元が観察され103

光合成研究 20 (2) 2010れると考えられる。

し、ここでは詳しくは述べないが、我々はCba. tepidumの野生株およびΔc-554株を用いてquinol:cytochromec5．緑色硫黄細菌の quinol:cytochrome c oxido-

oxidoreductaseと反応中心複合体との電子伝達反応を解

reductase は bc タイプである

析する実験で、新たにシトクロムc - 5 5 6をスペクトル緑色硫黄細菌の quinol:cytochrome c oxidoreductase

成分として見い出した 21,23) 。反応キネティックスからが、シトクロムb/Rieskeタイプであるのか、あるいはは、このシトクロムc - 5 5 6がプロテオバクテリアのシシトクロムbcタイプであるのか、という議論について

トクロムc 1に相当すると思われ、我々は緑色硫黄細菌

補足しておきたい。ここで言うb cタイプとは3つのサの quinol:cytochrome c oxidoreductase はbcタイプだと考

ブユニットから成る b/c/Rieske の事であり（Rieskeのえている（それゆえ、本稿ではシトクロムbc複合体と表記は通常は省略）、b/Rieske タイプとはシトクロムc

呼ぶことにしている）。

サブユニットを欠くタイプの事である。一般にプロテオバクテリア（紅色細菌）のCba. tepidumのゲノム上には7つのシトクロム遺伝子cが存在するが、そのうちCT0073がシトクロムc-556をoxidoreductase の構成成分は Rieske 鉄硫黄サブユニッ

コードする遺伝子であると我々は推定している 2 8 ) 。

ト、シトクロムb、シトクロムc1からなるbcタイプであC T 0 0 7 3 のすぐ下流には、シトクロム c - 5 5 4 遺伝子

り、通常シトクロムb c １複合体と呼ばれている。それ（CT0075）があり、互いに近接している（図3）。現

ぞれのサブユニットはfbcF, fbcB, fbcCという遺伝子に在までに12種の緑色硫黄細菌のゲノムが解読されていコードされ、オペロンを形成している25)。一方で緑色

るが、Chloroherpeton (Chp.) thalassium以外の全ての種硫黄細菌では同一オペロン中にfbcFとfbcBは存在する

でCT0073オルソログ遺伝子とCT0075オルソログ遺伝

が、塩基配列の類似性からはfbcCの存在を示唆するゲ子が隣り合っている（図3）。PscCを還元するというノム情報は得られていない 26,27) 。そのため緑色硫黄細

意味で同じ機能を持つシトクロムc - 5 5 4とシトクロム

菌の quinol:cytochrome c oxidoreductase については b/c - 5 5 6をコードする遺伝子が互いに隣接していること

Rieske タイプであると主張するグループがある。しかは十分に期待されるので、CT0073がfbcC遺伝子である

quinol:cytochrome

図4 シトクロムc-554/555とシトクロムc-556のアミノ酸配列のアライメント
Clustal Wを用いた。ヘム結合モチーフ（C-X-X-C-H）を赤色で示す。シトクロムc-556において、シグナル配列が切断された後に、脂肪酸が結合すると想定されるシステイン残基を赤字で示す（Cba. tepidumで18番目の残基）。Chp. thalassiumでは、シト
クロムc-554遺伝子は、PscC遺伝子とフュージョンしているため、C末端側のシトクロムc-554部分をアライメントに利用した（C-czと表記）。

104光合成研究20 (2) 2010

可能性が高い。CT0073のN末端には、リポ蛋白質に特徴的なシグナル配列が存在する（図 4 ）。シグナル配列が切断された後のN末端システイン残基（図4）に脂肪酸が結合し、これによってシトクロムc - 5 5 6は膜にアンカーされると考えられる（図2）。これは、C末端部に膜貫通へリックスを持つシトクロムc 1 とは異なる点である。

6．硫黄酸化系と電子伝達系のリンク
緑色硫黄細菌の生育に必要な電子源は、還元型の硫黄化合物（硫化物イオンS 2-、チオ硫酸S 2 O 3 2-など）である29)。S2-は Chlorobium (Chl.) ferrooxidans を除くすべての緑色硫黄細菌が利用できるが、S 2 O 3 2- を利用できるかどうかは種によって異なる29,30)。S2O32-の酸化に

図5 シトクロムc-554/555とシトクロムc-556のアミノ酸配列に基づく系統樹
図4のアライメントを元に、近隣接合法、MEGA4プログラムを用いて作製した。1000回繰り返しによるブートストラップ
値を枝に記す。アステリスクはチオ硫酸が利用できる（S o x系を持つ）種を示す。

はSox系と呼ばれる酵素群が寄与し 31) 、緑色硫黄細菌
ではオペロン(soxFXYZAKBW)を形成する27)。最近の研究からシトクロムc-554がSox系酵素群のうちSoxAXK
から電子を受け取ることが分かっている［S2O32-→Sox
系→シトクロムc-554］32)が、S2O32-酸化の詳細な反応機構はまだ明らかとなっていない。一方、 S 2 - は、

び生長速度が顕著に低下していた。このことは細胞内sulfide:cytochrome c reductase として働く SoxF とにおいてもシトクロムc-554がSox系と反応中心の間の電子伝達体として働いていることを支持している。まF c c A B、及び膜結合蛋白質であるs u l fi d e : q u i n o n e
reducatse（SQR）によって酸化される（図2）30,33)。いた、SoxFやFccABはS 2- の酸化にほとんど寄与せず、ずれも活性中心にFADを含むフラボ蛋白質で、S2-を硫

もっぱらSQRを介してS2-が酸化されていた。SQRはゲ

黄単体（S0）まで酸化する活性をもつ。SoxFとFccAB

ノム配列が解読された12種全ての緑色硫黄細菌で保存によるS 2-酸化の際にシトクロムc-554が電子受容体とされているが、SoxFとFccABの分布は種によって異なして機能することが示されている［ S 2 - → S o x F /る30)。SQRによるS2-の酸化は、生育に必須なプロトン

FccAB→シトクロムc-554］ 34,35) 。SQRはその名の通駆動力を優先的に得るための主要経路ではないかと考り、S 2-を酸化して、細胞膜中のキノンを還元する36)。

えている。

還元型キノン（キノール）は、シトクロムbc複合体に

緑色硫黄細菌における硫黄酸化経路の全容解明に

よって酸化される［S 2-→SQR→キノンプール→シトク

は、今後さらなる解析が必要である。シトクロム

ロムbc複合体］。Sox系酵素群を持つ種に存在するシc-554は、1960年代に初めて精製された当時、硫黄酸

トクロムc - 5 5 4は、アミノ酸配列に基づく系統解析で化に関わる酵素群と混合すると硫黄酸化活性が上昇すは単独のクラスターを形成しない（図5）。そのためることから、硫黄代謝反応の“エフェクター”と呼ばれシトクロムc-554は、Sox系酵素群から電子を伝達するていた 1 7 ）。実に半世紀に亘り研究されている課題で以外の機能も推測される。

あり、このことは微生物における硫黄酸化機構解明の上記の反応経路はいずれもin vitroの解析から推定さ困難さを反映している。その困難さは、硫黄元素は-2れたものであり、細胞内で各硫黄酸化経路が生長にどから + 6 までの価数をもつ化合物を形成し、硫化物の程度寄与しているかは分からない。そこで我々は、（S 2- ）から硫酸（SO 4 2- ）にいたる酸化過程が非常に

Cba.

複雑な反応中間体を経由することに起因する。

tepidumのΔc-554株を利用して硫黄酸化系から反応中心までの電子の流れを調べた 3 7 ) 。Δc - 5 5 4株では7．モデル生物 Chlorobaculum tepidum の研究材

S2O32-の完全酸化は起こるものの（S2O32-はSO4-まで酸料としての有用性化される）、野生株と比較してS 2 O 3 2- の消費速度およ105光合成研究 20 (2) 2010

Cba. tepidumは、中度好熱性細菌であり、至適生育の直線的・非循環型の電子伝達系の他に、光化学系Ⅱ

温度は46-48℃である38)。最小培地中・47℃で、倍加の Q B 様 に 働 く A 1 キノ ン や 膜 結 合 型 N A D H

時間約2時間で生育する。絶対嫌気性の光独立栄養生

dehydrogenaseを介した循環型の電子伝達経路の存在も物であり、その生長は光合成に依存している。しかし示唆されている。これらもまた非常に興味深い研究

光照射下で酸素にさらされると生長できず、やがて死テーマであり、今後取り組んでいきたい課題である。

滅する。ほとんどの蛋白質は空気中で単離しても問題

謝辞

ないが、反応中心複合体などの酸化還元中心として鉄硫黄センターをもつ蛋白質は酸素にふれるとすぐに不本稿で紹介した我々の研究内容は、伊藤繁教授（名活化（変性）してしまうケースが多い。反応中心複合古屋大学）との共同研究を含む。また、実験を遂行す

体を精製するときには、嫌気チャンバー内で一連の作るにあたって、宮本良氏、村上広海氏（名古屋大学）

業を行う必要がある。反応中心は室温でも比較的安定

からのご支援をいただいた。ここに御礼申し上げる。

であり、この性質は嫌気チャンバーで精製作業をするには非常に重宝する。2001年に natural transformation

Received June 21, 2010, Accepted July 22, 2010, Publishedによる変異導入方法が確立され、簡便に変異株を作製

August 31, 2010

できるようになった39)。2002年に全ゲノム配列が決定された 2 7 ) 。さらに現在までに米国エネルギー省

参考文献（DOE/JGI）によって12種の緑色硫黄細菌のゲノム配1. Hauska, G., Schoedl, T., Remigy, H., and Tsiotis, G.
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合成系・光捕集蛋白質複合体の研究は飛躍的に進展した。

8．おわりに
光照射によって酸化した反応中心内のスペシャルペ
アを速やかに還元状態に戻すことは、光合成反応の代謝回転を高めるうえで重要である。緑色硫黄細菌ではPscCがP840還元反応を担う事を本稿では述べた。さらに、酸化型PscC+は、シトクロムc-554とシトクロムbc複合体からの2つの経路により再還元される事を述べた。シトクロムc-554とシトクロムbc複合体による反応中心への電子伝達経路は、それぞれチオ硫酸と硫化物という異なる還元硫黄化合物の酸化経路と直接結びついている。チオ硫酸はS o x系によって酸化され、得られた電子はシトクロムc - 5 5 4に伝達される。一方、硫化物は主にSQRによって酸化され、得られた電子はキノンプールを介して、シトクロムb c複合体に伝達される。このように、緑色硫黄細菌において、電子源である還元硫黄化合物から反応中心までの一連の電子伝達経路はかなりの部分が明らかとなっている。反応中
心内部の電子移動経路が未だ定かではないが、これには反応中心の結晶構造解析が不可欠であろう。これら

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The Photosynthetic Linear Electron Transfer Pathway in Green Sulfur Bacteria
Yusuke Tsukatani*1, Chihiro Azai2, Hirozo Oh-oka2
1

Department of Biochemistry and Molecular Biology, The Pennsylvania State University
2
Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, Osaka University

108

光合成研究20 (2) 2010

解説

紅色光合成細菌における光捕集タンパク質の多様性‡
茨城大学 理学部
大友
1. はじめに征宇*

きる。

全ての光合成は光を集めることから始まる。光生物

一方、過剰な光エネルギーによる光合成系の損傷をは太陽光の希薄な密度のエネルギーを効率的に集める避けるため、光捕集系は必要以上の光エネルギーを熱ため、一般的に多数の色素分子とタンパク質からなる

エネルギーに変換し、光環境の変化に柔軟に対応でき

アンテナのような光捕集複合体（l i g h t - h a r v e s t i n gる能力をもっている。直接光の吸収と伝達を担うのがcomplex, LH) を用いる。光捕集は光が生体内に入る玄色素分子であるが、光捕集系に多彩な機能をもたせて関口に当たるため、光合成の効率と機能に重要な役割いるのが色素を支えるための足場となるタンパク質でを果たしている。捕獲された光エネルギーは色素間にある。光捕集系全般及び色素系については既に多くのおける特異なナノスケールの空間配置により、フェム

書物が出版されているため2-6)、本稿では非酸素発生型

ト秒からピコ秒単位で高速に移動し、ほぼ1 0 0％の量

光合成細菌の内、紅色細菌の光捕集系を取り上げる。

子収率で反応中心 (reaction center, RC) に到達して電荷

図 1 にその模式図を反応中心とともに示す。この図か

分離反応を誘起する。

らもわかるように研究材料としての光合成細菌の魅力

植物、藻類及びシアノバクテリアで代表される酸素は何と言ってもそのシンプルさと各構成器官の役割の発生型光合成の明反応系において、周辺光捕集複合体

明確さである。しかし、一見シンプルに見える現象でに加え、コアとなる光化学系本体の中でも光捕集機能

も想像を超える複雑さを内包しており、その仕組みのが組み込まれている。例えば、シアノバクテリア由来

巧妙さも魅力の一つである。ここではその複雑さの要の光化学系Iではタンパク質と結合している9 6個のク因の一つである光捕集タンパク質の多様性について、

ロロフィルの内、わずか 6 個が電荷分離と電子移動に

筆者らの研究を交えて紹介したいと思う。

関与し、残りの90個が光捕集色素として機能すること

2. コア光捕集複合体LH1がわかっている 1 ) 。これらのことから光合成の最終過程である炭酸固定に十分なエネルギーを供給するには紅色光合成細菌の光捕集系は図1に示したようにコ

光捕集の重要さとこれにかけるコストの高さが想像で

ア光捕集複合体LH1と周辺光捕集複合体LH2から構成される。LH2を持たない Rhodospirillum (Rsp.) rubrumのような菌種もあるが、全ての紅色細菌にはLH1が存在する。LH1がRCを取り囲んだ形で配置し、RCとの比率は化学量論的にほぼ一定であるとされている。
L H 1は2種類のポリペプチドαとβが組みとなり、これにバクテリオクロロフィル BChl が2分子とカロチノイドが結合したものが構造単位（サブユニット）を構成する。多くの紅色細菌においてこの単位が15ないし16

図1‡ほど R C の周りをやや楕円状に取り囲んでいるが、紅色光合成細菌の光捕集複合体と反応中心の模式図

解説特集「光合成細菌* 連絡先―研究材料としての魅力―」

E-mail: otomo@mx.ibaraki.ac.jp109光合成研究 20 (2) 2010

Rhodobacter (Rba.) sphaeroides 由来のLH1のように13な
いし14のサブユニットがダイマーとなって、Ｓ字の形
でRCの周囲に配置するものもある。
紅色細菌の明反応器官の中で、LH1複合体の高分解能の立体構造はまだ得られていない。しかし、適切な条件下で、LH1は高い自己組織能力を示す。この性質を利用して、LH1を構成する構造単位についての研究が盛んに行われてきた。例えば、界面活性剤 O c t y l
glucosideの濃度を調節することによって、色素BChl とαとβポリペプチドから 820 nm に吸収極大を有するサ
ブユニット複合体 (B820) が再構成でき、さらにこの
サブユニットから生体内と同様な吸収極大（約 8 7 3nm）を示す高次会合体(B873)が再構成される 7) 。図2

図2

LH1複合体の会合状態と対応する吸収スペクトルにこの様子と各状態の吸収スペクトルとを対応させて示した。B820は極めて高い構造安定性をもつことで知た、好塩性紅色細菌Ectothiorhodospira

られ、その正体については、一時期ヘテロダイマー

Ectothiorhodospira halophilaのLH1からもαとβポリペプ(BChl 2αβ)かテトラマー(BChl 2αβ) 2 かの議論があった

チドが二種類ずつ単離された17)。現在のところ、複数が、中性子散乱の測定から前者であることが示された8)。

種類のLH1αβポリペプチドをもつ菌体と高塩濃度といさらにB820中における色素分子について、核磁気共鳴

う生息環境との間に相関関係があるように見られるの研究から2個のBChlがface-to-faceで非対称な配置をが、これらのポリペプチドのもつ生理的な意義はまだ取り、ピロール環II、IIIとVが互いに部分的に重なっわかっていない。

halochlorisとていることが明らかになった 9 ) 。このようにL H 1全体

一部のLH1αβポリペプチドは翻訳後Ｃ末端領域でのについての詳細構造がわかっていないものの、その構

プロセッシングを受け、約10−15残基分が切除される成単位の構造と性質が詳しく調べられてきた。一方、ことが知られている。このような菌種には、 R s p .

色素を含む構造体の研究と平行に、LH1複合体の構成

rubrum18)、Rps. viridis、Rubrivivax (Rvi.) gelatinosus19)とタンパク質についても多くの研究がなされてきた。以Alc. vinosum15)が含まれる。多くのLH1αのＮ末端メチ

下、これらについて個別に述べる。

オニンがフォルミル化されている。さらに、このメチオニン基が容易に酸化を受けることもわかった 2 0 ) 。
LH2αポリペプチドの場合、Ｎ末端残基がB800に配位

2. 1. LH1αβポリペプチド
LH1を構成する主要タンパク質は、膜一回貫通領域

することが知られているが、LH1の場合それに相当すをもつαとβポリペプチド(分子量約 5−7 kDa)である。

る色素が存在しないため、その役割は不明である。一

BChl b を合成する Rhodopseudomonas (Rps.) viridis のよ方、殆どのL H 1βのＮ末端がアラニンになっており、

うな紅色細菌には、αとβに加え、γポリペプチド(約30幾つかの菌体からこのアラニン残基がメチル化されて残基)が1:1:1の割合で存在する10)。一般的にLH1αとβいることが見出された21,22)。また、古くからLH1ポリが一種類ずつ存在するが、タイプVに分類されるpufオペプチドのリン酸化が報告されてきた。Rsp. rubrumのペロンをもつ紅色硫黄細菌Allochromatium (Alc.) vinosum

菌体及びクロマトフォアを用いた実験からリン酸化さと Amoebobacter purpureus には遺伝子上三種類ずつれたタンパク質の存在が確認され、分子量約10kDaの(pufB1A1、pufB2A2、pufB3A3)存在することが知られていものがLH1ポリペプチドに帰属された23,24)。同菌体かる11, 12)。実際 Alc. vinosum からLH1αとβポリペプチド

らLH1をリン酸化するキナーゼも報告された25)。しかが二種類ずつ確認されている13-15)。しかし、近縁種のし、単離精製されたLH1ポリペプチドの質量測定から

Thermochromatium (Tch.) tepidum の puf オペロン及びそこのようなリン酸化が認められなかった 2 0 , 2 2 ) 。R b a .

の周辺には、αとβをコードする遺伝子が一対しか存

capsulatus由来のLH1αの場合、膜挿入過程において、在しないことが最近の研究で明らかになった 1 6 ) 。ま特にcytoplasmic sideに位置するSer2が高い割合でリン110

光合成研究20 (2) 2010

酸化され 2 6 ) 、その後完全に脱リン酸化を受けた結果、成熟後の光合成膜にはリン酸化されたL H 1ポリペプチ
ドが見つからなかった 2 7 ) 。
Rhodovulum( R h v. )sulfidophilumのLH1βも複合体形成の過程でリン酸化されるが、形成後の膜にはリン酸化された L H 1 βがまだ残っていたとの報告がある28)。
これらのリン酸化は、光合 図3 Rba. sphaeroides由来PufXの構造とこれまで報告されたPufXのアミノ酸配列30)
成膜の形成や膜へのタンパ

配列の上下にある黒線の部分は膜貫通領域を表し、その中にあるGlyとAla残基を赤字で示している。*印は全PufXの中で保存されたアミノ酸残基を表す。

ク質の挿入に際して必要な一時的な修飾であると考えられる。

配置やコンフォメーションについて信頼できる情報を得るのが難しい状況にある。そこで、PufX単独の立体構造決定の試みも行われた。天然のPufXの発現量が極2. 2. PufXポリペプチド29)
全てのRhodobacter種由来のLH1複合体には、PufXとめて少なく、疎水性が高いため適切な発現系の探索が呼ばれる約80残基の膜タンパク質が存在する30)。この必要であった。筆者らは大腸菌発現系を構築し、Rba.

中で、Rba. sphaeroides 由来のPufXが最も良く研究さsphaeroides由来のPufXの発現を試みたところ、活性をれてきた。PufXの役割として、主に嫌気条件下での光もつP u f Xタンパク質が大量に得られた 4 2 ) 。これに続駆動電子移動31,32)と、RCとCytochrome bc1間のユビキ

き、PufXの同位体標識を行い、その立体構造を核磁気ノン輸送33)に関わり、またLH1-RC複合体のＳ字形二共鳴法で決定した43)。同時期に他のグループからの結量体形成に寄与することが挙げられる34)。しかし最近

果も発表された44)。PufXは膜一回貫通のヘリックス構

では、Rba. veldkampii から単量体のLH1-RCが観測さ造を示し、その中央部分にG l yとA l a残基に富む領域

れ、この場合PufXが二量化に寄与しないとの報告がある（G l y 3 0 - G l y 3 6、紫色）が存在することが判明した。PufXの存在は既に約20年以上前に知られていた（図3）。この領域は側鎖の小さいGlyとAlaがヘリッが、タンパク質として単離されたのはずっと後のこと

クスの片側に、側鎖の大きい他の残基がヘリックスのである37)。PufXは生育条件によらずRCと1：1の量論反対側と両側に位置して、くぼみ（凹）の形をしてい比で発現され、強い疎水的性質をもつ。翻訳後にＣ末る「通路」のように見える。重水素交換の測定からこ端プロセッシングを受け、約70残基の成熟タンパク質の領域のヘリックスが柔軟性に富み、他の部分より溶になる。in vitro再構成の実験では、PufXはLH1αと強媒からのアクセスを受けやすい特徴をもっていること

く相互作用する傾向を示し、LH1複合体の形成に阻害が明らかになった。図 3 のアミノ酸配列を見ると、的な効果を及ぼすことが明らかになった。さらにPufX

Rba. sphaeroidesとRba. capsulatusのPufXの膜貫通領域の中央ドメインは L H 1 ポリペプチドとの相互作用 3 8 )にそれぞれ6つと7つのGlyが存在することがわかる。

に、両末端ドメインは主にLH1-RCの二量化とPufXの

これは、LH1αβの同じ領域にGlyが一個程度しかない

膜挿入39)にそれぞれ寄与することもわかった。

ことと好対照である。Rba. sphaeroidesのPufXにある5

35,36)

PufXの機能解明とともに、構造的研究も多くなされつのGlyがGxGxxGGxxxG（x: Gly以外のアミノ酸）とてきた。Rba. sphaeroides由来のRC-LH1-PufX複合体のいうモチーフを形成している。類似のモチーフ ( V /二次元結晶から8.5Å分解能の構造40)、三次元結晶からIxGx1-2GxxGxxxG)が酸化還元酵素中にあるFADやNAD

12Å分解能の回折結果41)がそれぞれ報告された。また( P )の結合部位にもよく見られ 4 5 ) 、キノン輸送を担う

AFMや単粒子解析法などによる構造解析も報告されてPufXの機能的観点から興味深いことである。一方、こいるが、分解能が低いため、複合体中におけるPufXのれまで膜貫通ヘリックス間の相互作用に G x x x G や111

光合成研究 20 (2) 2010

GxxxAモチーフが高頻度で現れることが知られている46,47)。
図3から、これらのモチーフが全てのPufX配列に見られることがわかる。他の実験結果と合わせて、G l yとA l aに富むこれらの領域はキノン輸送とタンパク質間相互作用を司るPufXの活性部位である可能性が高い。

2. 3. Protein ΩとProtein W
Rsp. rubrumのカロチノイド欠損変異株からLH1を単離する際に、分子量約 4 kDaの未知のタンパク質も同時に精製され、Protein Ωと名付けられた25)。Protein Ω
図4 Tch. tepidum由来LH1-RC複合体のLH1Qy遷移に及ぼすCa2+の影響
Ca2+存在下では、915 nmに位置するの対して、Ca2+を取り除いた場合は、876 nmに変化する。

は、LH1αβに対して約1/10のモル比で存在し、強い疎水的性質をもつとされる。そのアミノ酸組成が同定されたものの、配列に関する情報は得られていない。二次元再構成の結晶の観察では、Protein Ω をもつ LH1-

いることが突き止められた（図4）56)。NaClを用いたRCが四角形に近い4回回転対称の形態をとっているこ

陰イオン交換カラムで精製したLH1-RCに、各種濃度とが示され、Protein Ω が4つの角に配置する構造モデのNa+、K+、Cd2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+塩を添加しルが提案された48,49)。一方、Rsp. rubrum 野生株から精たところ、Ca2+塩を除く全ての塩で LH1 Qy 遷移のブ製されたL H 1とR Cの二次元再構成結晶から、円形にルーシフトが観測され、このことはLH1中の色素の配近いリング状のLH1-RCの構造が観測された50)。

向 状 態 に 変 化 が 起 き た こ とを 表 して い る 。 そ こ で

現在最も高い分解能(4.8Å)の結晶構造が知られていCaCl2を用いて精製したLH1-RCに対して同様の実験をるRps. palustrisのLH1-RCには、LH1αβに帰属できない行ったところ、全ての塩においてLH1 Qy遷移の変化が新たなタンパク質が見出され、Protein Wと名付けられ認められなかった。このことは L H 1 ポリペプチドにた51)。Protein Wは、RCに対して1：1、LH1αβに対して

Ca2+-binding siteが存在し、一旦Ca2+が結合するとLH1

1 5：1の割合で存在し、L H 1が形成するリング状構造

中の色素の配向構造が強く保持されることを示唆しての切れ目に位置する。有機溶媒で抽出されたLH1-RCいる。

複合体のゲル濾過分画によりProtein Wが単離され、銀Tch. tepidumから精製されたLH1-RC複合体は常温菌染色SDS-PAGEでは11kDa、TOF-MSでは10708 Daであのものより高い熱安定性を示し、約60℃まで安定に存ることがわかった。Rps. palustris のゲノム配列はすで在できる。この熱安定性にもCa 2+が必要であることがに公表されているが、Protein Wの配列に関する情報は明らかにされた57)。天然のLH1-RC複合体からCa 2+をまだ得られていない。分子量、存在割合及びLH1-RC

除去することにより熱安定性が常温菌由来のものとほ複合体中での配置から、Protein Wがキノン輸送に関わぼ同程度まで下がり、またLH1-RCにCa 2+を添加する

るPufXと似たような役割を果たすのではないかと推測と再び熱安定性が天然型と同じレベルに回復することされている。

がわかった。示差走査熱量分析により、天然型L H 1 RCの熱変性温度はCa2+を除去したものより約15˚C高い

2. 4. LH1と金属イオンとの相互作用

ことが示された。さらに、Ca 2+の代わりに、他の二価

一般に、BChl aをもつ紅色細菌のLH1は約880 nmに金属イオンC d 2 + 、M g 2 + 、S r 2 + 、B a 2 + を添加したとこ

吸収ピーク（ Q y 遷移）を示す。一方、紅色硫黄細菌

ろ、LH1-RCの熱耐性は天然型とCa 2+添加のものより

970株の場合960 nm52)、好熱硫黄細菌Tch. tepidumの場

低く、Ca 2+を除去したものより高いことから、これら

合915 nm53,54)、非硫黄細菌Roseospirillum parvum 930Iの金属イオンもある程度LH1複合体と結合できることの場合909 nm55)にそれぞれQyピークをもつことが知らを示唆した。この結果はこれまで推測していた「LH1

れている。これらのLH1Q y遷移が長波長へシフトする

中にある Ca2+-binding siteに、Ca2+が結合すると色素の原因は長い間謎に包まれてきた。最近、Tch. tepidumの配向構造が強く保持され、色素膜タンパク質複合体全LH1におけるこの異常吸収挙動にCa 2+が深く関わって112

光合成研究20 (2) 2010

体としての構造安定性が高められた」ことを強く支持している。この微生物が生息する米国イエローストー

3. 2. LH2構成タンパク質の多様性

ン国立公園の温泉周辺に豊富な炭酸カルシウムが存在

今まで高分解能の立体構造が報告されたLH2は全てすることから、進化の過程において環境適応のために一種類のαβポリペプチドから構成されている。しかCa2+が取り入れられたものと考えられる。

し、古くからLH2をもつ多くの紅色細菌から複数種類のαβポリペプチドが単離されてきた。これらのポリペ

3. 周辺光捕集複合体LH2

プチド間におけるアミノ酸の相同性は高く、培養条件

3. 1. LH2の構造と分光学的多様性

によって組成が変化する。また、近年ゲノム解析から

1995年に、Rps. acidophila 10050株から単離された

LH2をコードする遺伝子pucBAが多くの菌体においてLH2の高分解構造58)が発表されてから、さらに二つの複数存在することが明らかになった。Rps. palustrisの構造が加わった。１つは(Phs.)

ゲノムには、相同性の高い5つのpucBAa~eが同定され、molischianum 由来のもので、Rps. acidophila のLH2が9

この内１対(pucBeAe)のみが遺伝子下流にpucCを伴う従組のαβ対からなるのに対して、8組のαβから構成され来pucと呼ばれてきたoperon内に存在する。これらのている59)。この二種類のLH2はともに800 nmと850 nm

遺伝子の発現は光強度によって制御され、h i g h - l i g h tに吸収極大をもつ（B800-850タイプ）が、800 nmに吸(>1000収を示すBChl a (B800)に配位するアミノ酸残基は、する。

Phaeospirillumlux)の条件下では3組のαβポリペプチドが発現

Rps. acidophila の場合α鎖のN末端COO-Met1であるのRps. acidophila 10050と7050株から、それぞれ少なに対し60)、Phs. molischianum の場合N末端領域にある

くとも相同性の高い4つのp u c B Aが確認された。これ

Asp6である。また、B800色素の配向は両者の間ではらの遺伝子の発現産物にはＣ末端領域のプロセッシン

違うため、異なる円偏光二色性(CD)スペクトルを示す61)。

グを受けるものが多いが、その仕組みと理由について

もう一つの構造は l o w - l i g h t 条件下で培養した R p s .

はわかっていない。また、長年 puc operon 内に一対のacidophila 7050株から得られたもので62)、800 nmと820

pucBA しかないとされてきた Rba. sphaeroides のnmに吸収極大を示すことからB800-820タイプのLH2とChromosome 1 から新たに puc2BA が見出された64)。

呼ばれている（LH3とも呼ばれていたが、現在LH2に

puc2Bがコードするポリペプチドは既知のLH2βと94%分類されている）。B800-820は、Rps. acidophila B800-の相同性をもつのに対し、puc2Aがコードするタンパ

8 5 0と同様αβの9量体で構成される。両者の違いは主

ク質は既知のLH2α(54残基)よりはるかに長い263残基にα鎖アミノ酸配列の違いに起因することがわかってを有することがわかった。実際p u c 2 B Aの発現は確認いる。B800-850の場合、B850 BChl aのC3-acetyl基とされたが、puc2B由来のポリペプチドがLH2複合体の水素結合をつくるTyr44とTrp45が、B800-820の場合水約30%を占めているのに対して、puc2A由来のタンパ

素結合が形成できないPheとLeuにそれぞれ変わっていク質またはその断片がLH2複合体に組み込まれていなる。さらに、B820 BChl aのC131-keto基が水素結合をいことが判明している。さらに、最近では紅色硫黄細

もたず、フリーの状態であることが明らかになった。

菌のLH2遺伝子もよく調べられるようになってきた。

他の実験結果と合わせて、これらの水素結合の欠如にAlc. vinosumのゲノムには、少なくとも6つのpucBAが同よる色素の回転自由度の増加が吸収極大のブルーシフ

定され、うち2つがpuc operonに存在する65)。これまで

トをもたらす主要な原因であると考えられている。一同菌体より、αポリペプチドが3つ、βポリペプチドが4方、low-light条件下でのRps. palustris 2.1.6から得られつそれぞれ単離されている10)。好熱菌Tch. tepidumの遺たLH2の低分解電子密度マップ（7.5Å）が報告された伝子解析から3つのpucBAが検出され、うち2つがpuc。Phs. molischianumのLH2と同じαβの8量体で構成さoperonに位置する66)。同菌種には、αとβポリペプチド

63)

れ、800

nm

に１つの吸収極大を示す（B800-LH2、が各3つずつ確認されている。

L H 4 とも呼ばれる）。これまで 8 量体と報告された

4. 機能の理解から機能調節機構の解明へ

LH2はこの二つだけで、前述の Rps. acidophila に加え、Rba.

sulfidophilum、Rvi.

光合成細菌はシンプルな構造をもちながら、高温・

gelatinosusからのLH2は全て9量体で構成されている。

高酸性・高塩濃度などの極限的な環境下でも生き抜く

sphaeroides、Rhv.

113

光合成研究 20 (2) 2010

能力をもっている。これまで、紅色細菌における各種
色素膜タンパク質複合体の立体構造の情報がその後の機能解明に大きく貢献してきた。今後もこのような「構造に基づく機能の理解」という流れは変わらないであろう。一方、環境変化に応じて、機能がどのように変わり、それを可能にするためには構成成分とその構造がどのように変化するかという環境適応に関する仕組みの分子レベルでの解明が大きく前進するものと考えられる。紅色細菌の明反応系については、構造と図5

配列情報の蓄積により、既にこのような研究が可能に

複数種類のL H 2ポリペプチドが存在する場合におけるLH2複合体の構造模式図

なりつつある。この中で、LH1複合体だけは高分解能の立体構造がまだ得られていない“missing ring”になっサイズをもつLH2の存在及びその不均一性を示唆するている。原子レベルでの構造決定が当面の急務であ

結果も得られている71,72)。LH2複合体の構造とそれにり、そのための努力が今も続けられている67)。LH1複

よる分光学的性質への影響について既に多くのことが合体の構造解明によって、それ自体の分光学的特徴にわかってきたが、複合体を構成する単位の数が何に加え、RCとbc 1 複合体間におけるキノン輸送の経路、よって決まるのか、複数種類のαβがどのようにLH2に

LH1とRC間の相互作用形態、LH1ポリペプチドにおけ組み込まれるかなどについては依然として不明である様々な修飾とαβ以外のマイナー成分（PufX、Protein

る。今後、これらの課題の解決に向けて、さらに地道

Ω、Protein W及びその他未知のタンパク質）の役割なな努力を重ねることが必要であると考えられる。

ど、多くの貴重な情報が得られると期待できる。これ

謝辞

まで、LH1αとβが1:1の組成比で存在し、LH1とRCとの比率もほぼ一定であるとされてきた。しかし、AFM

以下の文献に名前を記載させて頂いた共同研究者にの観察からLH1の形状とサイズがともに不均一性を示

感謝いたします。また、本稿執筆の機会を与えてくだし68)、また色素とタンパク質の組成を調べた実験からさった永島賢治博士に感謝いたします。

光強度によってこれらの組成が大きく変化することが報告されている69)。これらの結果は、LH1も環境変化

Received July 6, 2010, Accepted July 16, 2010, Publishedに応じて構造と組成が変化し、この柔軟性が光捕集だ

August 31, 2010

けでなく、キノン輸送にも重要な役割を果たすことを示唆している。

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LH2αβが発現されるものが多い。このような場合、図5に示す二通りの組合せが考えられる。(a)では、１つの複合体が一種類のαβのみから構成され、複合体によって構成するαβの種類が異なる。これに対して ( b )では、１つの複合体に複数種類のαβが一定の割合で入っている。後者のような構造をもつLH2がまだ確認されていないが、最近それを示唆する分光学的結果が報告されている70)。一方、8量体と9量体以外のリング

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M., and Papiz, M. Z. (2002) The 7.5-Å electron density

20 (2) 2010and spectroscopic properties of a novel low-light B800
LH2 from Rhodopseudomonas palustris. Biophys. J. 82,
963-977.
64.	

 Zeng, X., Choudhary, M., and Kaplan, S. (2003) A
second and unusual pucBA operon of Rhodobacter
sphaeroides 2.4.1: genetics and function of the encoded
polypeptides. J. Bacteriol. 185, 6171-6184.
65.	

 Lucas, S., Copeland, A., Lapidus, A., Cheng, J.-F.,
Bruce, D., Goodwin, L., Pitluck, S., Munk, A. C.,
Detter, J. C., Han, C., Tapia, R., Larimer, F., Land, M.,
Hauser, L., Kyrpides, N., Ivanova, N., Zigann, R., Dahl,
C., and Woyke, T. (2010) Acc. No: NC_013851,
GenBank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/
NC_013851)
66.	

 Sekine, F., and Wang, Z.-Y. (2009) Acc. No: AB518069;
AB519152, DNA Data Bank of Japan (http://
www.ddbj.nig.ac.jp/index-j.html)
67.	

 Suzuki, H., Hirano, Y., Kimura, Y., Takaichi, S.,
Kobayashi, M., Miki, K., and Wang, Z.-Y. (2007)
Purification, characterization and crystallization of thecore complex from thermophilic purple sulfur
bacterium Thermochromatium tepidum. Biochim.
Biophys. Acta 1767, 1057-1063.
68.	

 Bahatyrova, S., Frese, R. N., van der Werf, K. O., Otto,
C., Hunter, C. N., and Olsen, J. D. (2004) Flexibility
and size heterogeneity of the LH1 light-harvesting
complex revealed by atomic force microscopy. J. Biol.
Chem. 279, 21327-21333.
69.	

 Akiyama, M., Nagashima, K. V. P., Inoue, R.,
Wakayama, T., Kise, H., Hara, M., and Kobayashi, M.
(2002) Variation in the size of light harvesting 1 of
purple bacteria. J. Photosci. 9, 350-352.
70.	

 Brotosudarmo, T. H. P., Kunz, R., Böhm, P., Gardiner,
A. T., Moulisová, V., Cogdell, R. J., and Köhler, J.
(2009) Single-molecule spectroscopy reveals that
individual
low-light
LH2
complexes
from
Rhodopseudomonas
palustris
2.1.6.
haveaheterogeneous polypeptide composition. Biophys. J. 97,
1491-1500.
71.	

 Scheuring, S., Rigaud, J.-L., and Sturgis, J. N. (2004)
Variable LH2 stoichiometry and core clustering in
native membrane of Rhodospirillum photometricum.
EMBO J. 23, 4127-4133.
72.	

 Kereïche, S., Bourinet, L., Keegstra, W., Arteni, A. A.,
Verbavatz, J.-M., Boekema, E. J., and Gall, A. (2008)
The peripheral light-harvesting complexes from purple
sulfur bacteria have different 'ring' sizes. FEBS Lett.
582, 3650-3656.

Diversity of the Light-Harvesting Proteins in Purple Photosynthetic Bacteria
Seiu Otomo (Z.-Y. Wang)*
Faculty of Science, Ibaraki University117

光合成研究 20 (2) 2010

報告記事
第1回日本光合成学会公開シンポジウム開催報告
小林 正美（筑波大学 応用理工学類）
西田 生郎（埼玉大学 理学部）

第１回光合成学会公開シンポジウムは、2010年6月4日〜5日に東京大学駒場キャンパスにて開催され、11 6名のご参加をいただき、無事終えることができました。今年のシンポジウムの統一テーマは「光合成研究のダイナミックス」で、前半（4日）と後半（ 5 日）の 2 つのサブセッションに分け、それぞれ小林と西田が担当しました。以下に、2日間にわたるシンポジウムの概要をご報告いたします。
シンポジウムの開始に先立ち、池内昌彦会長から学会成立の経緯とシンポジウムの趣旨についてご挨拶をいただきました。続いてポスターセッションが始まり、大学院
生や“自称若手研究者”、研究会
池内昌彦会長

OBによる活発なポス

ター討論が行われました。
引き続き、小林を世話人とする セッション１「光エネルギーの新しい利用法と光合成研究の温故知新」が始まりました。先ず、「光エネルギーの新しい利用法」として、化学の観点から瀬川浩司先生に「植物の光合成に学ぶ色素増感太陽電池の研究開発」について、続いて村田 滋先生に「化学の視点からみた光合成 - 人工光合成研究の現状と将来」について、各40分のご講演をしていただきました。瀬川先生には、昨年の「光合成研究」12月号の内容を瀬川浩司先生分かり易くお話し下さいと御願いしましたので、理解が深まったことと思います。
その後、1時間のポスター討論をはさんで、「光合成研究の温故知新」として、
檜山哲夫先生に「光化学系I−P700を中心に」、また佐藤公行先生に「光化学系 II
反応中心同定への途（回顧）」なる表題で、お話を伺いました。お二方からは、できるだけ若い頃の苦労話など、普段なかなか拝聴することができない逸話を伺
いたく、敢えて要旨を御願いしませんでした（要旨集でお二方の箇所が白紙になっており、驚かれた方も多かったと思います）。それが功を奏し（？）、論文や著書からは知ることができない貴重なお話や写真を見聞きすることができました。お二方と前述の村田先生には、今年の「光合成研究」12月号での執筆を御願
いしていますので、ご期待ください。

檜山哲夫先生佐藤公行先生118

村田 滋先生光合成研究20 (2) 2010

興奮冷めやらぬ中、場所を生協に移し、懇親会（参加数 88名）が始まりました。先ずは、ビールで喉を潤していただき、1時間ほどしてから、数名の方にスピーチをいただき、お待ちかねのポスター賞発表・授賞式を行いました。
2日目は、西田を世話人とするセッション2「最新の光合成研究と未来」から始まりました。高橋裕一郎先生からは「系１の構造と機能のダイナミクス」との演題で、古典的な放射性アミノ酸のトレーサー実験を手法としながら、クラミ
ドモナスを実験材料にした、高感度ウェスタン分析法並びに高感度タンパク質複合体前駆体の検出技術を駆使した、まさにダイナミックな研究の成果をお話いただきました。高橋氏には、クラミドモナスの国際学会に出発する直前のお忙し高橋裕一郎先生

い時間にご講演をいただき、たいへんありがとうございました。次に、古本 強先生には「C 4回路で機能するナトリウム依存性ピルビン酸輸送機構の解明」との演題で、葉緑体に存在するピルビン酸輸送体について、研究の進展状況だけでなく、その着眼の経緯や研究の途中で光合成学会の先達からいただいた温かいご指導や励ましのお言葉などのエピソードもふくめ、人間古本の一生（まだ若いよね！）を垣間見るようなおもしろいお話しいただきました。古本先生には、多くの未発表データのご講演をお願いしました。現在、生物学分野の最高峰の雑誌に投稿、改訂中とのことなので、会員一同で、論文受理を祈念したいと思います。 3 0 分ほどのポスター
Viewingをはさみ、嶋田知生先生に「光合成組織による気孔密度の新たな調節機構」について講演をいただきました。嶋田先生は、分子遺伝学、分子発生学がご専門なので、光合成学会シンポジウム講

古本 強先生演をお願いしたときに、「私でよいのでしょうか」とたいへん謙虚なご回答をいただきましたが、「気孔が増えるしくみと聞いただけで、光合成研究者なら興味を持つはずです」と西田が勝手に思い、講演をお願いしました。この研究は、Nature誌にすでに報告されているので、ご存じの方も多かったと思いますが、気孔形成を促進するある種のペプチドを同定したこと、それが合成された細胞以外の細胞にはたらきかけ気孔形成を誘導することなど興味ある知見が満載していました。特に、葉の発生の初期の段階ですでに気孔の数が決定されているらしいというお話でしたが、植物が光合成器官を形成するときにどのように環境を検知し、発生プログラムを制御しているのかについてたいへん興味がわきました。嶋田氏も、横浜で開催されたシロイヌナズナの国際会議に参加する直前のご講演だったので、お忙しい中、誠にありがとうございました。
シンポジウム講演の後、ポスター賞受賞者に数分のミニ講演をしていただきました。その後、総会・総合討論を行い、無事閉会の運びとなりました。会員の皆様には、遠路シンポジウムにご参加いただいただけでなく、活発な質問・議論をしていただき、誠にありがとうございました。
シンポジウムの運営を裏方として支えてくださった池内研、和田研、佐藤研、増田研の学生・大学院生の皆様と、写真撮影をして下さった加藤
嶋田知生先生

浩先生に、心から御礼申し上げます。
第一回光合成学会シンポジウムの世話人として、どれだけお役に立てたのかとても心配ですが、参加者の皆様が、少しでも「来て良かった」と、感じていただけたなら幸いです。また、今回、シンポジウムに参加できなかった会員の方には、是非、来年のシンポジウムにお越しいただけるようお願い申し上げます。

119

光合成研究 20 (2) 2010

報告記事
第1回日本光合成学会シンポジウムポスター賞受賞者
記念すべき第１回の日本光合成学会シンポジウムにおけるポスター賞は、複数の選考委員による厳正な採点の結果、以下の方々（五十音順）が受賞されました。受賞者の方々の研究については、順次、「光合成研究」において、紹介していく予定です。
小島
	

鈴木
	

関根
	

永田
	

成川
	

間合
	

茜（東京理科大学 理学部）
Acaryochloris marinaの光化学系IIの単離精製と性質
博行（東京理科大学 理学部）
光合成酸素発生反応における各S状態遷移の効率：FTIR法による解析
康介（東京大学 教養学部附属教養教育高度化機構）
Cyanidioschyzon merolaeにおける亜硝酸を選択的に還元する新規変異型亜硫酸還元酵素
衛男（名古屋工業大学 応用化学科）
光合成タンパク質ー色素複合体のTiO2電極上への組織化と光電流応答
礼（東京大学 大学院総合文化研究科）
有用シアノバクテリアArthrospira (Spirulina) platensis NIES-39のゲノム解析
絵里（名古屋大学 大学院生命農学研究科）
青色光とABAに応答したC4植物葉肉葉緑体の運動

小島

茜

関根
鈴木

永田

衛男

成川

博行

間合

礼

120

絵里

康介

光合成研究20 (2) 2010

報告記事

日本光合成学会「若手の会」活動報告ならびに第3回セミナー開催のお知らせ
東京大学 大学院総合文化研究科
成川礼

第2回セミナー報告
6月5日、第1回日本光合成学会シンポジウム後に開催した『若手の会第2回セミナー』には、ポスドク、学生を中心に30名以上の参加者がありました。短い時間のなか、光化学系・クロロフィル合成・化石・呼吸系と幅広い分野の 6 人の演者の方々にセミナーを行っていただきました。その後、参加者全員の自己紹介と研究紹介を行い、より一層議論を深めることができました。場所を移しての懇親会でも、研究やそれ以外の話題で話が尽きませんでした。渡部和幸さん（京都大学）に執筆いただいた参加報告記事もあわせてご覧ください。また、10月には『第3回セミナー』を、昨年開催した第1回セミナー同様、宿泊形式で開催する予定です。奮ってご参加くださいますよう、よろしくお願い致します。

第2回セミナーの集合写真

第3回セミナー『みんなで光合成研究

その2（仮）』

光合成研究における生物材料や測定法、関連分野の最先端の研究について実際に実験を行っている若手研究者によるセミナーを行います。お互いの研究について情報交換、討論するために、参加者全員に発表（自己紹介、研究紹介）をしてもらいます。より深く議論する、参加者同士の交流を深めるための時間を長く設けるために、
昨年好評でした宿泊研修形式で行います。若手の会セミナーが個別の研究へのフィードバックや新たな研究分野の開拓の場となることを期待しています。
日時：	 2010年10月16〜17日（2日間）
場所：	

 東京大学・本郷キャンパス
	（宿泊、懇親会：「太栄館」キャンパスの近所です）

121

光合成研究 20 (2) 2010
内容：	

1日目：参加者全員の口頭発表（研究計画や自己紹介だけでも可）	（自己紹介：1分、研究内容：0、5、10、15分から選択）

	

2日目：

	

「光合成系における機能性生体分子の精密構造解析」
溝口

	

	

(立命館大・生命科学部・応用化学科)「クラミドモナスを用いた光合成研究（仮）」
大西

	

	

正先生

紀和先生（岡山大・院・自然科学）

他2〜3名ほどの演者を検討中

参加費（宿泊・懇親会費込み）：	

 学生¥8,000-その他 ¥10,000-

問い合わせ・申し込み		

成川礼（東京大 大学院総合文化研究科・助教）		Tel: 03-5454-4375, e-mail: narikawa@bio.c.u-tokyo.ac.jp		＊詳細は決定次第随時HPに掲載していきます
若手の会ホームページURL: http://sites.google.com/site/photosynwakate/wakate-no-kai-dai-san-kai-semina

集会案内
第2回光合成学会若手の会セミナーに参加して京都大学大学院人間 環境学研究科
渡部和幸

平成2 2年6月5日に、東京大学駒場キャンパスにて研究分野の広さと奥深さを感じました。また、参加

第二回光合成学会若手の会セミナーが開催されまし

した若い研究者同士での議論が活発に行われた点もた。この若手の会は、昨年設立されたばかりの新し

印象的でした。今回、私が参加報告を執筆するにあい組織で、私もたいへん興味を持っていたのですが、たり、すべての発表について触れることはできません

今回初めてセミナーに参加させていただくことがでが、筆者の研究に近い光化学系の発表について理解きました。前日から光合成学会公開シンポジウムがし得る範囲で簡単に紹介させていただきます。

開催されていたので、私を含めて多くの方々がシンポ

渡辺麻衣さん (東京大学)は、光化学系I複合体の超ジウムから引き続いての参加となりました。参加者は分子構造について発表されました。光化学系I複合体

学生から准教授の方まで、その名のとおり若い人たは、シアノバクテリアでは三量体、高等植物、緑藻でちが中心でしたが、大ベテランの先生方も居られて自は単量体として存在することがよく知られていました

由な雰囲気の中にも適度な緊張感がありました。

が、紅藻や灰色藻ではこれまで報告されていませんでセミナーでは、6演題の発表と参加者全員の自己紹した。紅藻、灰色藻より調製したチラコイド膜を可介が行われました。研究発表は、光化学系・呼吸系

溶化したサンプルのBlue-native PAGEの結果から、こや光合成色素などについて、光合成細菌、シアノバク

れらの藻類では光化学系I複合体が多量体として存在

テリア、藻類、高等植物などを対象とした、とてもバしていることが示唆されました。また、Anabaenaでラエティーに富んだ内容で、あらためて光合成というは光化学系I複合体が三量体ではなく四量体を形成し122

光合成研究20 (2) 2010ているのではないかという結果が示されました。シ

変異体を用いたクロロフィル蛍光によるN D H活性のアノバクテリアの光化学系 I 複合体は三量体という固測定などの結果より、PQL1、PQL2がNDH複合体のサ定観念があったのですが、もっと柔軟に考えた方がブユニットであることが示されました。光化学系IIに良いのではないかと感じました。

関与するP s b Qと相同性を示すタンパク質が光化学系

浅井智広さん (大阪大学)は、絶対嫌気性の光合成ではなく N D H 複合体の構成成分であるということ細菌である緑色硫黄細菌 Chlorobium tepidum の反応中

は、これらPQLファミリータンパク質の進化を考える

心へのヒスチジンタグと部位特異的変異導入について

うえで、たいへん興味深いことだと思いました。

発表されました。ホモダイマーである Chl. tepidum の今回、本セミナーに参加して、光合成関連の研究

反応中心タンパク質の片方のサブユニットに変異を導に携わっておられる諸先輩方や同年代の方々のお話入するにあたり、相同組換えに関与するrecAの領域にを聞くことができ、たいへん刺激を受け勉強になり

遺伝子破壊をかねて新たにコアタンパク遺伝子を導入ました。私もこの会で研究成果を発表できるよう、するという「コアタンパク質遺伝子の偽二倍体化」と日々研究を頑張っていきたいと思いました。また、いう手法を構築されました。緑色硫黄細菌の反応中

セミナーの参加者の中では、修士2回生である私が最心は酸素に弱く解析が難しいのですが、本研究によも若いのではないかと思っていたのですが、学部生

り今後の飛躍的な進展が期待されます。

の方も参加していました。このことは、本セミナーが伊福健太郎先生 (京都大学)は、緑色植物で存在が若い人にとって魅力的であることを端的に示している

確認されている光化学系IIの表在性サブユニットであのではないかと思います。

るPsbQと相同性を示すPQLの機能解析について発表

最後になりましたが、セミナーを主催され、本稿されました。シロイヌナズナでの共発現データベースを執筆する機会を与えてくださいました、会長の成川による検索の結果、PQL1とPQL2が葉緑体のNDH複

礼先生 (東京大学)ならびに幹事の皆さまにこの場を借合体のサブユニットなどと共発現していることがわかりて御礼申し上げます。

りました。Blue-native PAGE および PQL1、PQL2 の集会案内

第2回日本光合成学会年会およびシンポジウム開催予告
来年の日本光合成学会年会およびシンポジウムは、平成23年6月3日（金）、4日（土）に京都大学で開催いたします。公開シンポジウムのテーマは「光合成生産」と「光合成の光エネルギー変換メカニズム（仮）」（オーガナイザー：太田啓之、野口巧）です。ポスター発表など、概要はおおむね例年通りです。皆様の多数のご参加をお待ちしています。

123

光合成研究 20 (2) 2010

集会案内

第70回分子科学国際研究会「光合成によるエネルギー変換機構の分子レベルでの解明と将来の展望」
本国際会議の目的は、光合成に関連するさまざまな分野の研究者が一堂に会してアイデアを交換する場を提供することです。各分野の最先端の熱い議論はもちろん歓迎しますが、自分の専門とは別の分野の議論にもぜひ参加していただきたく思います。この会議をきっかけにして、ベテランから新人まで幅広く交友を深め、光合成エ
ネルギー変換に関する新しい研究コミュニティが作られて行くことを希望いたします。できるだけ多くの方々にご参加、ご発表いただき、活発なディスカッションができますようにお願い申し上げます。

日時：	

	

平成22年 12月 4日（土）〜 6日（月）

場所：	

	

岡崎コンファレンスセンター（愛知県岡崎市明大寺町字伝馬8-1

内容：

名鉄東岡崎駅から徒歩10分）

招待講演（国外7名、国内14名）、口頭・ポスター発表（公募）

参加費および参加登録： 無料懇親会： 	

平成22年12月5日（日） 一般 3,000円／ポスドクおよび学生 1,000円（事前登録をお願いします）

事前登録と詳細は、以下のウェブサイトをご覧ください。各種フォーマットもダウンロードできます。
日本語URL：http://www.cp.kyoto-u.ac.jp/Ishikita/okazaki2010/index-jp.htm
英語URL：http://www.cp.kyoto-u.ac.jp/Ishikita/okazaki2010/index.htm

事務局からのお知らせ★入会案内
本会へ入会を希望される方は、会費（個人会員年会費：￥1,500、賛助法人会員年会費：￥50,000）
を郵便振替（加入者名：日本光合成学会、口座番号：00140-3-730290）にて送金の上、次ページの申し込み用紙、または電子メールにて、氏名、所属、住所、電話番号、ファックス番号、電子メールア
ドレス、入会希望年を事務局までお知らせください。
★会員名簿管理方法の変更と会費納入のお願い
学会の運営は、皆様に納めていただいております年会費によりまかなわれております。昨年度、長期滞納者を名簿から削除するお願いをしましたが、会費徴収状況は未だに健全な状態にはありません。そこでお願いです。当該年度の会費が未納の場合、光合成研究が送られてくる封筒に、今までどおり会費未納が印字されています。１年間会費を滞納された場合、次年度より会員名簿から削除され、光合成研究は届かなくなります。再入会される場合は、未納の１年分もあわせてお支払いいただ
きます。2011年1月に名簿の変更を行いますので、複数年度の会費滞納者はおられなくなります。今年
度は従来通りですので、現在、複数年度の滞納のある方は（封筒に未納年が印字されています）、今
年度分まであわせてお支払いください。納められた会費は、古い未納年から順に充当いたしております。会費納入状況などにつきましては、ご遠慮なく事務局（shikanai@pmg.bot.kyoto-u.ac.jp）までお問
い合わせください。会員の皆様のご理解とご協力をお願い申し上げます。

124光合成研究20 (2) 2010

日本光合成学会会員入会申込書
平成

年

月

日

日本光合成学会御中
私は日本光合成学会の趣旨に賛同し、平成年より会員として入会を申し込みます。

[]内に会員名簿上での公開承諾項目に○印をつけてください[]

氏名（漢字）（必須）
氏名（ひらがな）
氏名（ローマ字）

[

] 所属

[

] 住所1
〒

[

] 住所2（自宅の方または会誌送付先が所属と異なる場合にのみ記入）〒[] TEL1[] TEL2

[

] FAX

[

] E-mail(必要な方のみ記入）

個人会員年会費		

賛助法人会員年会費		

 50,000円	

（振込予定日：平成年

1,500円	(会誌、研究会、ワークショップなどの案内を含む）

月(上記と会誌への広告料を含む）
日）（会員資格は１月１日〜１２月３１日を単位とします）＊複数年分の会費を先払いで振り込むことも可能です。その場合、通信欄に（何年度〜何年度分）とお書き下さい。
連絡先〒153-8902

東京都目黒区駒場3-8-1

東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 生命環境科学系
池内・成川研究室内

日本光合成学会

TEL: 03-5454-6641, FAX: 03-5454-4337
E-mail: photosyn@bio.c.u-tokyo.ac.jp
ホームページ: http://photosyn.c.u-tokyo.ac.jp

郵便振替口座加入者名：日本光合成学会

口座番号：00140-3-730290

125光合成研究 20 (2) 2010

日本光合成学会会則
第１条

名称

本会は日本光合成学会（The Japanese Society of Photosynthesis Research）と称する。
第２条

目的

本会は光合成の基礎および応用分野の研究発展を促進し、研究者相互の交流を深めることを目的
とする。
第３条

事業

本会は前条の目的を達成するために、シンポジウム開催などの事業を行う。
第４条

会員

１．定義
本会の目的に賛同する個人は、登録手続を経て会員になることができる。また、団体、機関
は、賛助会員になることができる。
２．権利会員および賛助会員は、本会の通信および刊行物の配布を受けること、本会の主催する行事に参加することができる。会員は、会長を選挙すること、役員に選出されることができる。
３．会費
会員および賛助会員は本会の定めた年会費を納めなければならない。
第５条

組織および運営

１．役員
本会の運営のため、役員として会長１名、事務局長１名、会計監査１名、常任幹事若干名をおく。役員の任期は２年とする。会長、常任幹事は連続して二期を越えて再任されない。事務局長は五期を越えて再任されない。会計監査は再任されない。
２．幹事
幹事数名をおく。幹事の任期は４年とする。幹事の再任は妨げない。
３．常任幹事会
常任幹事会は会長と常任幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。常任幹事会は本会の運営に係わる事項を審議し、これを幹事会に提案する。事務局長と会計監査は、オブザーバーとして常任幹事会に出席することができる。
４．幹事会
幹事会は役員と幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。幹事会は、常任幹事会
が提案した本会の運営に係わる事項等を審議し、これを決定する。
５．事務局
事務局をおき、事務局長がこれを運営する。事務局は、本会の会計事務および名簿管理を行う。
６．役員および幹事の選出
会長は会員の直接選挙により会員から選出される。事務局長、会計監査、常任幹事は会長が幹事の中から指名し、委嘱する。幹事は常任幹事会によって推薦され、幹事会で決定され126

光合成研究20 (2) 2010

る。会員は幹事を常任幹事会に推薦することができる。
第６条

総会

１．総会は会長が招集し、出席会員をもって構成する。議長は出席会員から選出される。
２．幹事会は総会において次の事項を報告する。
１）前回の総会以後に幹事会で議決した事項
２）前年度の事業経過
３）当年度および来年度の事業計画
３．幹事会は総会において次の事項を報告あるいは提案し、承認を受ける。
１）会計に係わる事項
２）会則の変更
３）その他の重要事項
第７条

会計

本会の会計年度は１月１日から１２月３１日までとする。当該年度の経理状況は、総会に報告され、その承認を受ける。経理は、会計監査によって監査される。本会の経費は、会費および寄付金
による。

付則
第１

年会費は個人会員1,500円、賛助会員一口50,000円とする。

第２

本会則は、平成１４年６月１日から施行する。

第３

本会則施行後第一期の会長、事務局長、常任幹事にはそれぞれ、第５条に定める規定にかかわらず、平成１４年５月３１日現在の会長、事務局担当幹事、幹事が再任する。本会則施行後第一期の役員および幹事の任期は、平成１４年１２月３１日までとする。

第４

本会則の改正を平成２１年６月１日から施行する。

日本光合成学会の運営に関する申し合わせ
1. 幹事会：
幹事は光合成及びその関連分野の研究を行うグループの主催者である等、日本の光合成研究の発展に顕著な貢献をしている研究者とする。任期は4年とするが、原則として再任されるものとする。
2. 事務局：
事務局長の任期は2年とするが、本会の運営を円滑に行うため、約5期（10年）を目途に再任されることが望ましい。
3. 次期会長：
会長の引き継ぎを円滑に行うため、次期会長の選挙は任期の1年前に行う。
4. 常任幹事会：
常任幹事会の運営を円滑におこなうため、次期会長は常任幹事となる。

127

光合成研究 20 (2) 2010

幹事会名簿
浅田浩二	

 福山大学生命工学部

鈴木祥弘	

 神奈川大学理学部

池内昌彦	

 東京大学大学院総合文化研究科

園池公毅	

 東京大学大学院新領域創成科学研究科

池上勇	

 帝京大学薬学部

高市真一	

 日本医科大学生物学教室

泉井桂	

 近畿大学生物理工学部生物工学科

高橋裕一郎	

 岡山大学大学院自然科学研究科

伊藤繁	 名古屋大学大学院理学系研究科

田中歩	

 北海道大学低温科学研究所

井上和仁	

 神奈川大学理学部

都筑幹夫	

 東京薬科大学生命科学部

臼田秀明	

 帝京大学医学部

寺島一郎	

 東京大学大学院理学系研究科

榎並

徳富(宮尾)光恵

勲	

 東京理科大学理学部

大岡宏造	

 大阪大学大学院理学研究科
大杉

農業生物資源研究所
光合成研究チーム立	

 東京大学大学院農学生命科学研究科

南後

太田啓之	

 東京工業大学守	

 名古屋工業大学応用化学科

西田生郎	

 埼玉大学大学院理工学研究科

バイオ研究基盤支援総合センター

野口巧	

 筑波大学大学院数理物質科学研究科

大政謙次	

 東京大学大学院農学生命科学研究科

長谷俊治	

 大阪大学蛋白質研究所

小川健一	

 岡山県生物科学総合研究所

林

小野高明	

 茨城大学工学部生体分子機能工学科

秀則	

 愛媛大学
無細胞生命科学工学研究センター

小俣達男	

 名古屋大学大学院生命農学研究科

原登志彦	

 北海道大学低温科学研究所

垣谷俊昭	

 名城大学理工学部教養教育/

彦坂幸毅	

 東北大学大学院生命科学研究科

総合学術研究科久堀徹	

 東京工業大学資源化学研究所

金井龍二	

 埼玉大学（名誉教授）

檜山哲夫	

 埼玉大学理学部（名誉教授）

小池裕幸	

 中央大学理工学部

福澤秀哉	

 京都大学大学院生命科学研究科

小林正美	

 筑波大学大学院数理物質科学研究科

藤田祐一	

 名古屋大学大学院生命農学研究科

坂本

前

亘	

 岡山大学資源生物科学研究所

忠彦	

 東北大学大学院農学研究科

櫻井英博	

 早稲田大学（名誉教授）

牧野周	

 東北大学大学院農学研究科

佐藤和彦	

 兵庫県立大学大学院生命理学研究科

増田建	

 東京大学大学院総合文化研究科

佐藤公行	

 岡山大学（名誉教授）

松浦克美	

 首都大学東京都市教養学部

佐藤直樹	

 東京大学大学院総合文化研究科

三室

佐藤文彦	

 京都大学大学院生命科学研究科

宮地重遠	

 海洋バイオテクノロジー研究所

鹿内利治	

 京都大学大学院理学研究科

村田紀夫	

 基礎生物学研究所

重岡

山本

成	

 近畿大学農学部守	

 京都大学大学院地球環境学堂泰	

 岡山大学大学院自然科学研究科

島崎研一郎	

 九州大学大学院理学研究院

山谷知行	

 東北大学大学院農学研究科

嶋田敬三	

 首都大学東京都市教養学部

横田明穂	

 奈良先端科学技術大学院大学

沈

建仁	

 岡山大学大学院自然科学研究科

バイオサイエンス研究科

杉浦昌弘	

 名古屋市立大学

和田

大学院システム自然科学研究科
杉田護	

 名古屋大学遺伝子実験施設

杉山達夫	

 中部大学生命健康科学研究所

128

元	

 東京大学大学院総合文化研究科

光合成研究20 (2) 2010

編集後記
日本光合成学会は、学会としての記念すべき第1回のシンポジウムを、6月4日、5日に東京大学駒場キャンパスで開催しました。今後、学会として研究を発展していくことは勿論、社会への発信、若手の育成などにもますます力を注いでいく事が求められていきます。また”光合成”という横断的な研究分野を包括するため、幅広く学会員を増やしていく取り組みもますます大事になっていきます。このような意味で、若手の会の活発な活動は心強い限りですし、この「光合成研究」の内容を充実させる
取り組みが重要だと考えています。今号では、Guest Editor を首都大学東京の永島賢治先生にお願い
し、解説特集「光合成細菌—研究材料としての魅力—」を企画して頂きました。この企画は首都大学東京の嶋田敬三先生が退職されるのを機会にお願いしたものです。原核光合成細菌は光化学系複合体の立体構造解明や光合成色素遺伝子の同定・進化など、多くの局面で重要な役割を果たしてきました。今回の特集は、光合成細菌の実験材料としての有用性を改めて証明するものだと考えています
が、皆様の感想は如何だったでしょうか。「光合成研究」は学会員のための会誌です。会員の皆様からの積極的な記事の投稿をお待ちするとともに、内容についてのご意見などもお聞かせください。この号を編集している現在（7月末）、連日3 5℃以上の酷暑日が続き、さすがに夏バテ気味です。皆様も体調には気をつけて、研究に勉学にご精進ください。
＜東京大学

増田

建＞

記事募集
日本光合成学会では、会誌に掲載する記事を会員の皆様より募集しています。募集する記事の項目は以下の通りです。
○トピックス：光合成及び関連分野での纏まりのよいトピックス的な記事。
○解説：光合成に関連するテーマでの解説記事。
○研究紹介：最近の研究結果の紹介。特に、若手、博士研究員の方々からの投稿を期待しています。
○集会案内：研究会、セミナー等の案内。
○求人：博士研究員、専門技術員等の募集記事。
○新刊図書：光合成関係、または会員が執筆・編集した新刊図書の紹介。書評も歓迎いたします。
記事の掲載を希望される方は、会誌編集担当、増田（ctmasuda@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp) まで御連
絡下さい。

129

光合成研究 20 (2) 2010******************************************************************************************「光合成研究」編集委員会
編集担当 	

増田建（東京大学）発行担当 	

和田

元（東京大学）編集委員 	

栗栖源嗣（大阪大学）

編集委員 	

野口

編集委員 	

増田真二（東京工業大学）

航（東京大学）******************************************************************************************

日本光合成学会 2009-2010年役員
会長	

池内昌彦（東京大学）

事務局	

鹿内利治（京都大学）

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

沈 建仁（岡山大学）	

（日本光生物学協会）
和田 元（東京大学）	

（会誌担当）
増田 建（東京大学）	

（会誌担当）
佐藤直樹（東京大学）	

（ホームページ担当）
寺島一郎（東京大学）	

（企画担当）
高市真一（日本医科大学）	

（企画担当）
小川健一（岡山県生物科学総合研究所）	

 （企画担当）西田生郎（埼玉大学）	

（企画担当）
小林正美（筑波大学）	

（企画担当）
原登志彦（北海道大学）	

（企画担当）
牧野 周（東北大学）	

（企画担当）伊藤 繁（名古屋大学 名誉教授）	

 （企画担当）太田啓之（東京工業大学）	

（企画担当）

会計監査	

小池裕幸（中央大学）******************************************************************************************
光合成研究 第20巻 第2号 （通巻58号） 2010年8月31日発行

日

本

光

〒153-8902

合

成

学

会

東京都目黒区駒場3-8-1

東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 生命環境科学系
池内・成川研究室内

日本光合成学会

TEL: 03-5454-6641, FAX: 03-5454-4337
E-mail: photosyn@bio.c.u-tokyo.ac.jp
ホームページ: http://photosyn.c.u-tokyo.ac.jp
郵便振替口座加入者名：日本光合成学会

口座番号：00140-3-730290

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