光合成研究
NEWS LETTER Vol. 21 NO. 3 December 2011
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH
次期会長選挙のお知らせ!

研究紹介

!

絶対嫌気性の光合成細菌 Chlorobaculum tepidum における外来遺伝子発現系!
浅井

!
トピックス

智広（阪大、名大）、大岡
平

トピックス

光合成生物の緊縮応答! 95

利治（京大）!

! 102

真二（東工大）!

! 106

純考（京大）、鹿内
増田!

解説特集「光合成の光エネルギー変換メカニズム ―物理学的手法によるアプローチ―」!

序文

野口

!
解説

沈

解説

! 113

建仁（岡山大）!

! 114

水分解酸素反応を可能とさせるPhotosystem IIにおけるクロロフィル上の電荷配置
石北

!
解説

! 112

巧（名大）!

光合成水分解・酸素発生を可能にする光化学系IIの原子構造!

!

宏造（阪大）!

阻害剤を用いた光化学系Ⅰサイクリック電子伝達の研究

!

! 94

央（京大、さきがけ）、斉藤

圭亮（京大）!

! 122柴田穣（東北大）!

! 128

礼（東大）!

! 135

智康（名工大）!

! 136

光合成系での光捕集過程を構造に立脚して理解する!
報告記事

若手の会活動報告〜第五回セミナー開催、サイエンスアゴラ2011出展、新幹事〜
成川

!
報告記事

光合成学会若手の会第五回セミナーに参加して!
報告記事

サイエンスアゴラ2011報告書

野路—サイエンスカフェ「光と植物の不思議—光合成研究の今と未来—」を出展して—!大西

紀和（基生研）、浅井事務局からのお知らせ!

智広（名大）、岡島幹事会名簿!
会員名簿!
編集後記!
記事募集!

賛助法人会員広告礼（東大）! ! 137! 142

日本光合成学会会員入会申込書!
日本光合成学会会則!

公司（大府大）、成川

! 144
!

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! 145

!

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! 148

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! 159

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! 159

光合成研究日本光合成学会「日本光合成学会会則

21 (3) 2011

次期会長選挙のお知らせ（平成2 1年6月1日施行）第5条」に基づき、次期会長選挙（任期：平成25年1月1日〜平成26年12月31日の2年間）を行ないます。本会では任期一年前に新会長を選出し、会の円滑、継続的な運営をはかることになっています。
この会報の末尾に添付されている投票用紙に会員の中から会長候補者１名の氏名を明記し、同封した返信用封筒にいれて選挙管理委員会宛に1月31日までにご返送下さい（消印有効）。会員名簿は本号の巻末をご覧下さい。

これまでの本会会長は、宮地重遠、西村光雄、佐藤公行、金井龍二、井上頼直、高宮建一
郎、村田紀夫、伊藤繁、池内昌彦（現会長：任期

平成23年1月1日〜平成24年12月31日）の諸氏です。「会則 5 条の 1 では会長は二期を超えて再任されないこと」となっておりますので、今回の選挙では現会長に被選挙権はありません。

日本光合成学会

選挙管理委員会久堀

徹（東京工業大学資源化学研究所）

太田啓之（東京工業大学バイオ基盤支援センター）＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
投票用紙の送付先〒226-8503
横浜市緑区長津田4259 R1-8
東京工業大学資源化学研究所
久堀

徹研究室内

日本光合成学会選挙管理委員会

行き94

光合成研究21 (3) 2011

研究紹介
絶対嫌気性の光合成細菌 Chlorobaculum tepidum における外来遺伝子発現系§
12

大阪大学大学院 理学研究科 生物科学専攻

現所属：名古屋大学大学院 理学研究科 物質理学専攻（物理系）
浅井

1. はじめに智広1,2,* 、大岡宏造1

ターが軸対称な2本の電子移動経路を形成し、電子は緑色硫黄細菌は偏性嫌気性のグラム陰性細菌で、還片方の経路を排他的または優先的に移動する 8 , 9 ) 。一元型の硫黄化合物を電子源とした非酸素発生型の光合方、ホモダイマーRCでは2本の電子移動経路は同等に成によって生育する光独立栄養細菌である 。その光機能すると考えられており、ホモダイマーからヘテロ合成系は非常に単純であり、細胞内にチラコイド様のダイマーに進化する過程で R C は電子移動を非対称化

膜系はなく、光化学系I型の光合成反応中心（RC）とさせたと推測されている4,5)。私たちは、ホモダイマー

シトクロムbc複合体から構成される電子伝達系が細胞

R C をモデルとして電子移動を非対称化した因子を探。その一方、他の多くの光合成

りたいと考えているが、ホモダイマーRCでは立体構造

生物とは異なり、「RCコアタンパク質がホモダイマーの決定はおろか電子伝達コファクターの同定すら完了構造である」、「光合成細菌でありながら一次電子受していない。この状況を打破するためには、どうして容体がクロロフィルaである」、「既知のものでは最も分子生物学的手法による解析が必要である。

1)

膜内で駆動している

2,3)

大の集光装置であるクロロソームをもつ」、「Calvin

そこで私たちは、光合成に必須な遺伝子を操作する

回路ではなく還元的TCA回路で炭素固定を行う」など

技術として異なる2つの遺伝子発現系を考案した。1つ

数多くの興味深い特質をもつ

2-5)

。

は「遺伝子の偽二倍体化」であり、 R C コアタンパク

緑色硫黄細菌の光合成系に関する研究は、紅色光合質への部位特異的変異の導入、およびホモダイマー型

成細菌と同じくらい古い歴史をもつ。しかしながら光RCの人工的なヘテロダイマー化を可能にした10)。もう合成系が酸素で失活しやすく、利用できる解析手法に1 つは「広宿主域プラスミドの開発」であり、 C b a .

は限界があるため、解明すべき問題が数多く残された

tepidumままである。ようやく近年になって、好熱性の緑色硫な遺伝子発現系の構築にも成功した。ここでは私たち

黄細菌 Chlorobaculum (Cba.) tepidum の全ゲノム情報とが開発した手法を紹介し、緑色硫黄細菌の遺伝子発現

相同組換えによる形質転換系が確立され、遺伝子破壊系を使った研究の今後の展開を議論したい。

にプラスミドをもたせることで、より汎用的株を使った分子生物学的な研究が報告されはじめた
3,6,7)

2. 遺伝子の偽二倍体化。しかし緑色硫黄細菌は光合成でしか生育できな

先に述べたように、私たちは、緑色硫黄細菌のホモ

いため、光合成反応に必須な遺伝子の機能解析はほと

ダイマーRCの構造と機能、分子進化に興味をもって研んど進んでいない。
私たちは緑色硫黄細菌のホモダイマー R C の構造と究している。Cba. tepidum で相同組換えによる形質転機能に注目して研究してきた。近年次々に立体構造が換系が確立されて以来、R Cコアタンパク質（P s c A）

解かれたヘテロダイマー R C では、電子伝達コファクへの部位特異的な変異導入を試みてきた。しかし、こ第2回日本光合成学会シンポジウム* 連絡先

ポスター賞受賞論文

E-mail: cazai@bio.phys.nagoya-u.ac.jp95

光合成研究21 (3) 2011保持である。得られたrecA::(HisAB-aacC1)株を継代培養したところ、偽二倍体化した２つのpscA遺伝子座の再編や配列の変化は全く生じなかった。また、recA遺伝子破壊による光合成系や生育自体への大きな影響は見られず、期待通り相同組換え能のみが著しく抑制されていた。
次に、Hisタグ付きRCコアタンパク質が発現されているかを調べた。変異株から調製した粗精製膜を n octyl-β-D-glucosideで可溶化後、Ni2+固定化カラムを用いたアフィニティクロマトグラフィーを行ったとこ
ろ、比較的高純度のR C標品を大量に得ることができ
RCコアタンパク質遺伝子（pscA）の偽二倍体化の戦た（図2B）。またこのRC標品は、電子伝達成分を全あらかじめ相同組み換えで、本来のpscA遺伝子にタグを付加

最後にヘテロダイマー R C の発現を確認した。先のしておく。その後、それとは異なるタグを付加した変異pscA

アフィニティ精製で得られたHisタグRC標品は、Hisタ

図１て保持しており、高い光電荷分離活性を有していた。

略。

遺伝子をrecA遺伝子のコード領域に挿入する。各々のpscA遺伝子によるホモダイマーRC以外に、ヘテロダイマーRCも発現可能である。本文中で述べた3つの戦略項目を検証するのに用いたのはrecA::(HisAB-aacC1)株で、本来のpscA遺伝子にはタグを付加していないことに注意。

れまでに導入を試みた変異は全て致死的であり、私たちのグループを含め、RCコアタンパク質の変異体作製に成功したものはいない。
そこで任意の変異をR Cに導入する方法として、私たちが最初に考案したのが、「 R C コアタンパク質遺伝子（pscA）の偽二倍体化」である（図1）。この方法では、野生型のp s c A遺伝子を機能的なまま残し、
re c A遺伝子のコード領域に変異p s c A遺伝子を挿入する。野生型 R C の発現が変異株の生育を補償するので、任意の変異体R Cの発現が可能になると考えた。
この方法には以下の3つの戦略項目も同時に含まれて

図2 （A）recA::(HisAB-aacC1)のゲノムの模式図。
N末端に 6x Hisタグを付加したpscA遺伝子とpscB遺伝子（F A /F Bタンパク質）のクラスターを野生型pscAB遺伝子クラスターと同じプロモーターにつないで、野生株のre c A遺伝子領域に相同組換えによって組み込んだ。青で示した遺伝子は選択マーカーとして使用したゲンタマイシン耐性遺伝子（aacC1）。
（B）recA::(HisAB-aacC1)から嫌気的なアフィニティ精製で得られたHisタグRC標品のSDS-PAGE（左）とRC複合体モデル（右）。
SDS-PAGEのレーン1はNi 2+固定化カラムの溶出画分、レーン2はそれをゲルろ過（Sephacryl S-200）にかけたもの。各種分光分析で検出された電子伝達コファクターは複合体モ
デルに色つきで示した。赤：ヘムc、青：バクテリオクロロ
フィルa、緑：クロロフィルa、ピンク：メナキノン、オレン
ジ：4Fe-4Sクラスター。

いる。① r e c A 遺伝子の破壊により相同組換えを抑制
し、偽二倍体化した遺伝子をゲノム上に安定に保持させること、②野生型遺伝子と変異遺伝子にそれぞれ異なるアフィニティ精製用タグ配列を付加し、変異体
R Cを特異的に精製すること、③野生型と変異型のコ
アタンパク質から成る、人工的なヘテロダイマーRCを発現することである。これらの項目の有効性について、N末端にHisタグを付加したpscA遺伝子をrecA遺伝
子領域に組み込んだ変異株、recA::(HisAB-aacC1)を作製することにより検証することにした（図2A）。
まず確認したのが偽二倍体化した遺伝子の安定的な96

光合成研究21 (3) 2011

グ付きのPscAからなるホモダイマーRCと、Hisタグ付
きとタグなしのP s c AからなるヘテロダイマーR Cの混合物となるはずである（図1の下段を参照：ただし、
recA::(HisAB-aacC1)株では本来のpscA遺伝子にはタグを付加していない）。従って、この標品中にタグなしのP s c Aが含まれることがわかれば、ヘテロダイマー
RCが発現している証拠となると考えた。そこでHisタ
グ R C 標品をトリプシン分解し、液体クロマトグラ
フィー-タンデムマススペクトル分析（LC/MS/MS）でPscAのN末端ペプチドを探索したところ、Hisタグ付
きのN末端ペプチドだけでなく、タグなしのN末端ペプチドも含まれていることがわかった（図3A）。この
タグなしのN末端ペプチドの信号強度は、等モルの野生型RC複合体（タグなしのホモダイマーRC）を分析した場合の約1 0 %に相当していた。これは、H i sタグ
RC標品中に含まれる全PscAのうち約10%がタグなしであることを意味する。タグなしのPscAは全てヘテロ
ダイマーRCに由来するはずなので、HisタグRC標品に含まれるRC複合体の約20%がヘテロダイマーRCであると見積もることができた（図3B）。
以上の検証により、「 R C コアタンパク質遺伝子（pscA）の偽二倍体化」はホモダイマーRCを人工的にヘテロダイマーに作りかえる方法として有効であることがわかった。実際、発現量は少ないが変異を導入し

図3 （A）タグなしPscAのトリプシン消化断片のマススペ
クトル。
同じモル濃度の野生株から精製したタグなしの R C 標品（上）と、recA::(HisAB-aacC1)から得られたHisタグRC標品（下）をLC/MS/MSで分析したときのマススペクトルを示している。＊印はMS/MSによりタグなしPscAのN末端ペプチドであることを確認したピーク。HisタグRC標品で検出されたピークは、野生型R C標品の約1 / 1 0となっていることがわかる。
（B）LC/MS/MS分析から推定されたHisタグRC標品中に含まれるヘテロダイマーRCとホモダイマーRCの量比。
HisタグRC標品中の全PscAのうち約10%がタグなしであり、
これは全てヘテロダイマーRCに由来するので、全体の約20%がヘテロダイマーRCである。

たヘテロダイマー反応中心の存在を確認しており、近いうちに報告したい（未発表データ）。私たちの考案したこの方法が、Cba. tepidum のRCを分子生物学的に解析する非常に有効な方法論として浸透していくことを期待している。この方法は Cba. tepidum のゲノム上に相同な配列をもつ遺伝子を組み込むことを前提としているが、結果的にrecA遺伝子領域は相同組換えが抑制される以外はニュートラルサイトとして機能しており、基本的にどのような遺伝子でも発現させることができる。したがって同様の方法が、他の必須タンパク質や、コファクターが多くて他の生物種では発現させ間を要する。また、組み込む遺伝子は基本的に 1 コ

られないタンパク質の解析にも適用できると考えていピーとなるため、高発現は期待できない。さらに、必る。

然的にrecA遺伝子を破壊してしまうので、以後、相同組換えを利用したゲノムの改変はできなくなってしま

3. 広宿主域プラスミドの開発う。これを解決するには、より広範な遺伝子を対象に前項の遺伝子の偽二倍体化による発現系は、遺伝子した、汎用性の高い Cba. tepidum の遺伝子発現系の構発現系として十分に機能するものの、二重交差型の相築が必要である。

同組換えによって発現DNAコンストラクトをゲノムに

RK2やRP4（IncPグループ）、RSF1010（IncQグルー

組み込むため、目的の変異株の単離までには手間と時97

光合成研究21 (3) 2011プ）などの接合プラスミドは、細菌間の接合過程によって伝達されるので 11,12) 、事実上、全てのグラム陰性細菌を宿主とすることができる（図4）。このような広宿主域プラスミドを用いた遺伝子発現系は、非光合成細菌はもちろん、紅色光合成細菌やシアノバクテリアの研究では一般的に使用されている11,13-16)。緑色硫黄細菌でも接合プラスミドの導入が1995年に報告された17)。ところが報告された方法では誰も結果を再現することができず、緑色硫黄細菌にプラスミドを保持させるのは長い間不可能であると考えられてきた。しかし私たちが再現実験を行った際、自然変異体と思われる偽陽性のコロニーが多いことに気がついた。これまでに用いられてきた抗生物質では、プラスミドを保持したクローンの選択が不十分であったと考えられた。また報告されている抗生物質を使う限り、たとえ
プラスミドの導入に成功しても、その後の継代培養でプラスミドが安定には保持されないと推測された。
そこで適切な選択が可能な抗生物質を再検討し、エ

図5 （A）大腸菌S17-1とCba. tepidum野生株との接合実験。
接合プラスミドpDSK5191はエリスロマイシン（Em）耐性遺伝子、pDSK5192はストレプトマイシン（Sm）とスペクチノ
マイシン（Sp）の二重耐性遺伝子をもつ。どちらを使った場
合も、プラスミドなしの場合と比較して有意に Cba. tepidum
形質転換体の出現頻度が増える。
（B）pDSK5191を導入したCba. tepidum形質転換体から抽出したプラスミドのアガロース電気泳動像（左）とpDSK5191の遺伝子地図。
C：導入前のpDSK5191、M：λ/StyI digests（分子量マーカー）、1：野生株から抽出したプラスミド、2：形質転換体から抽出したプラスミド。

リスロマイシン（ E m ）や、ストレプトマイシンとス
ペクチノマイシンの混合物（Sm/Sp）が有効であることがわかった。RSF1010由来プラスミドpDSK519 18)に、これらの抗生物質の耐性遺伝子（ermC、aadA）を組み込んだ新たな接合プラスミド p D S K 5 1 9 1 、
pDSK5192を作製して接合実験を行ったところ、再現
よく Cba. tepidum にプラスミドを導入することに成功した（図 5 A ）。また、薬剤を含む培地での継代培養では得られるプラスミドの収量や配列に変化は見られず、導入したプラスミドは非常に安定に保持されるこで、野生型 Cba. tepidum とは生長速度が異なる変異とが確認できた（図5B）。

株、ΔcycA株とΔsoxB株を作成している19,20)。ΔcycA株

次に、任意の遺伝子を発現させるためのプラスミド

は、ペリプラズムの可溶性シトクロムc - 5 5 4をコードの構築に着手した。私たちのグループは、過去の研究する遺伝子を欠失しており、培養後期の生長速度が野生株より顕著に遅くなる。ΔsoxB株は、チオ硫酸の酸化に必要な遺伝子群の 1 つ s o x B 遺伝子を欠失しており、こちらは培養後期から全く生長しなくなる。これ
らの変異株の表現型の相補を指標にして、各々の変異株の欠損した遺伝子を発現するプラスミドの作製を試みた。その結果、p s c A遺伝子の上流領域を構成プロ
モーターとして使用することで、変異株の表現型を、

図4 接合によるプラスミド伝達の模式図。
プラスミドの伝達には、供与菌（図ではE. coli）と受容菌（図ではC. tepidum）の物理的な接触と、プラスミドの複製過程が必要である。また、導入されたプラスミドが受容菌に保持されるためには、細胞分裂の際に安定に複製され、娘細胞に均等に分配されなければならない。

コントロールプラスミドを導入した野生株と同等にまで回復させられることがわかった（図6）。
作製した発現プラスミドを用いてH i sタグを付加したpscA遺伝子の発現についても調べたところ、アフィ98光合成研究21 (3) 2011

ニティ精製によって形質転換体からHisタグ付きのRC
複合体を特異的に得ることもできた。その収量は、ゲノムから発現させた場合に比べて、3 ~ 5倍程度高かった。この発現量の上昇は、細胞内でのプラスミドのコ
ピー数（他の細菌種では5~10コピー程度と見積もられている）とゲノムのコピー数（ Cba. tepidum では数コピー存在すると考えられている）の相対量比を反映していると推測される。私たちが開発した新たな接合プ
ラスミドpDSK5191、pDSK5192による遺伝子発現は、
Cba. tepidum での興味ある遺伝子の過剰発現やタンパ
ク質の大量生産に有効であると考えている。
一般に広宿主域プラスミドを用いた発現系は、プラ
スミド導入株を維持するために培地に適切な薬剤を添加する必要があり、大量培養や生理学的な実験にはやや不向きな面もある。しかし複数コピーのゲノムをもつ生物種の場合、ゲノムの相同組換えを利用した形質転換法では、形質転換体が得られても変異ゲノムが完全に分離するまでコロニーの純化を繰り返す必要がある。作業時間を考えると、D N Aコンストラクトの導入から変異株の樹立までに、少なくとも1ヶ月はかかり、場合によっては最後まで純化できないこともある。それに対して接合による発現プラスミドの導入は原理的にコロニー純化を必要としない上、緑色硫黄細菌の光独立栄養性を利用して、対抗選択（プラスミド供与菌である大腸菌を殺す選択）を薬剤による形質転換体の選択と同時に行える。そのため、接合からク
ローンの樹立まで 1 週間程度で完了することができ

図6 Cba. tepidum 変異株の発現プラスミドによる表現型相補。
（A）野生株とp D S K 5 1 9 1導入株のバッチ培養での生長曲線。Cba. tepidum は硫化物が存在するときは排他的に硫化物を電子源として使用する。培養初期（0~15時間）の生長曲線のふくらみは、硫化物酸化時に細胞外に放出される単体硫黄によるもの。pDSK5191導入株の生長が遅いのは培地にエリ
スロマイシンが含まれているためである。
（B）ΔcycAのpDSK5191導入株とpDSK5191-cycA相補株の生長曲線。cycA遺伝子の発現により、pDSK5191導入株に見られる培養後期の生長速度の遅れが、野生株のpDSK5191導入
株（A、青線）と同等まで回復している。
（C）ΔsoxBのpDSK5191導入株とpDSK5191-soxB相補株の生長曲線。soxB遺伝子の発現により、pDSK5191導入株の培養
後期での生長が、野生株のpDSK5191導入株（A、青線）と同等まで回復している。

る。広宿主域プラスミドを用いた方法は、現状ではもっとも簡便かつ迅速な Cba. tepidum の遺伝子発現系であると言えるだろう。

4. 今後の研究展開
遺伝子発現系が構築できたことで、緑色硫黄細菌の分子生物学的な研究を行うための最低限必要なツールは整備された。これにより、これまで不可能と考えられていたような研究が可能になることを期待している。
第一に、実験進化学的な研究である。冒頭でも触れたように、緑色硫黄細菌の光合成系の特徴は、進化のごく初期の光エネルギー変換機構を持つと考えられて工的へテロダイマー化である。今日の光化学系I、IIをいる点にある4,5)。それゆえエネルギー代謝系の進化をはじめとするヘテロダイマー R C の構造・機能上の相考察するためのよいモデルとなりうる。例えば、「2.

関や、その成立過程を解明できるのではないかと考え遺伝子の偽二倍体化」で述べたホモダイマー R C の人

99

光合成研究ている。他にも、緑色硫黄細菌に光化学系II型のRCを

21 (3) 2011

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発現させて、光化学系I、IIが成立した初期段階を再現することを計画している。また、緑色硫黄細菌はバク
テリオクロロフィルaとクロロフィルaの両方をもつので、生合成系の改変や他の生物種由来のクロロフィル
結合タンパク質の発現などにより、複雑な色素系が出来上がってきた過程を考察することも可能かも知れない。
第二に、これまで精製や解析が困難とされてきたタ
ンパク質の研究である。緑色硫黄細菌にはゲノム情報から存在が推測されているものの、タンパク質レベルでの存在や生化学的な活性、生理的な機能が調べられていない遺伝子が未だに数多く存在する3,6)。例えば、
シトクロムbc複合体やNADH脱水素酵素のホモログ、
末端酸化酵素であるシトクロムbd複合体などで、ゲノム情報からはサブユニット構成やアミノ酸配列などに特徴が見られる。これらは発現量が少なく、酸素に対して非常に不安定であることが生化学的解析の障害となっているが、遺伝子発現系が整備されたことで過剰発現やアフィニティタグの付加による精製の簡便化を図る試みが可能である。また Cba. tepidum は生長が速く、培養も比較的容易なため、ヒドロゲナーゼやニトロゲナーゼなど、嫌気性タンパク質生産のための発現ホストとして利用することもできるだろう。
今後は、これら分子生物学的ツールを駆使した研究を精力的に進め、未だ謎の多い緑色硫黄細菌の光合成系を解明していきたいと考えている。

Received November 22, 2011, Accepted November 25, 2011,
Published December 31, 2011

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sulfur bacterium derived from the complete genome
sequence, Photosynth. Res. 78, 93-117.
4.! Olson, J.M. and R.E. Blankenship, (2004) Thinking
about the evolution of photosynthesis, Photosynth. Res.

100

光合成研究21 (3) 2011transfer by conjugation in the thermophilic green sulfur
bacterium Chlorobium tepidum, J. Bacteriol. 177,2583-2588.
18.!Keen, N.T., S. Tamaki, D. Kobayashi, and D. Trollinger,(1988) Improved broad-host-range plasmids for DNA
cloning in gram-negative bacteria, Gene. 70, 191-197.
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tepidum devoid of cytochrome c-554 and SoxB,
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20.!Tsukatani, Y., R. Miyamoto, S. Itoh, and H. Oh-oka,(2006) Soluble cytochrome c-554, CycA, is notessential for photosynthetic electron transfer in
Chlorobium tepidum, FEBS Lett. 580, 2191-2194.

Expression Systems of Exogenous Genein the Obligatory Anaerobic Photosynthetic Bacterium Chlorobaculum tepidum
Chihiro Azai1,2,*, Hirozo Oh-oka1
1

Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, Osaka University
Present affiliation: Division of Material Science (Physics), Graduate School of Science, Nagoya University

2101

光合成研究21 (1) 2011

TOPICS
阻害剤を用いた光化学系Ⅰサイクリック電子伝達の研究§
京都大学 大学院 理学研究科
平

純考* 、鹿内利治

1. はじめに
葉緑体における光合成電子伝達にはリニア電子伝達(LET) と光化学系Ⅰ (PSI) サイクリック電子伝達 (CET)の二つの経路があり、CETでは電子がPSIからプラス
トキノン (PQ) に輸送されることで更なるプロトン濃度勾配が形成される1)。CETの発見は50年以上遡り、Arnonのグループがチラコイド膜で光のエネルギーを用いてAT Pを生産する反応として報告している 2 ) 。このような光合成（生命と言っても過言ではない）の基
本反応がいまだ完全に解明されていないことは、驚く

図2 PGR5依存経路の詳細。FQRの存在はこれまで明らかになっていないため疑問符をつけている。

べきことである。我々のグループは、2002年にこの経路に異常を示すシロイヌナズナの pgr5 (proton gradient

タンパク質がこの経路に必須であることがわかっていregulation 5) 変異体を単離し、この経路が強光下でのる3,6)（図2）。クラミドモナスでは、PSI、シトクロム

NPQの誘導、PSIの光阻害からの回避、さらには二酸

b 6 f複合体、FNRさらにPGRL1を含む超複合体がCET

化炭素固定あるいは光呼吸にATPを供給することを明を行うことが報告された 7) 。クラミドモナスのCETはらかにした3)。高等植物では、PGR5タンパク質に依存

state transitionに依存する点が高等植物とは異なり8)、するC E Tの主経路に加え、N D H複合体依存の経路も

また高等植物ではこのような超複合体の報告はない。

機能する（図1）4,5)。Arnonの見つけたPGR5依存経路

CETの装置は、高等植物とクラミドモナスで異なっては、しばしばフェレドキシン依存経路と呼ばれるが、いるのかもしれない。また最近我々のグループは、それを触媒するフェレドキシン・キノン酸化還元酵素

NDH複合体がPSIと超複合体を作り 9) 、フェレドキシ

( F Q R ) の実体は未知である。これまでに P G R 5 やンを電子供与体とすることを報告した 1 0 ) 。したがっPGRL1 (PGR5-like photosynthetic phenotype) の二つのて、両経路ともフェレドキシンに依存する。
本稿では、我々の行っているP G R 5依
存CETを特異的に阻害する薬剤からのア
プローチを紹介する。

2. アンチマイシン
図1 葉緑体チラコイド膜上での電子伝達。CETにはPGR5依存の経路とNDH依存の二つの経路が存在する。LETを赤線、CETを黒線で示した。
第2回日本光合成学会シンポジウム* 連絡先

ポスター賞受賞論文

E-mail: y.taira@pmg.bot.kyoto-u.ac.jp

102

Aについて
フェレドキシンに依存す光合成研究21 (3) 2011

行った。この薬剤が、 F Q R の核心部に結合するならば、それを指標にFQRの実体を解明することができるかもしれない。

3. CET活性の測定
阻害剤の活性測定には C E T の正確な評価が必要となってくる。しかしCETは、入口と出口のない循環的
図4

な反応の宿命で、その速度の測定は困難である。現在

アンチマイシンAの構造。

でも、その新しい測定法についてしばしば報告がなさる二つのCETは遺伝学により明確に分けることができれ、測定方法によって異なる結果が混乱の原因になっる。もう一つ、両者を区別するのはアンチマイシンている。それぞれの測定法の問題については、総説にA（図3）に対する感受性である 5) 。PGR5依存経路はまとめられている 1 6）。我々は、最も直接的な方法とアンチマイシンAに感受性であるが、NDH依存経路はして、破壊葉緑体におけるフェレドキシン依存プラス阻害を受けない。アンチマイシンAによるCETの阻害

トキノン還元活性をモニターしている 3 ) 。この方法は、古くに A r n o n のグループにより発見されておりは、クロロフィル蛍光測定に依存するため、超弱光下、ArnonのサイクリックとPGR5依存のサイクリックで測定しており、明らかに C E T にとって最適ではなを結ぶ一つの根拠になっている 11) 。アンチマイシンAい。しかし、シロイヌナズナの変異株では、この活性はもともとミトコンドリアにおける呼吸鎖電子伝達のが明瞭に低下しており、またC E Tを完全に欠くc r r 2阻害剤として見つかった化合物である12)。シトクロム

pgr5二重変異体では全く活性が見られない5)。またこ

bc1複合体のQiサイトに結合し、Qサイクルを阻害すのフェレドキシン依存プラストキノン還元活性は、アる。葉緑体のシトクロムb 6 f複合体はシトクロムbc 1 複

ンチマイシン A で明瞭に阻害を受ける 5 ) 。したがっ合体と構造的に類似しており、アンチマイシンAが葉て、定量性はないものの、CET活性の有無を反映して

緑体のシトクロムb 6 f複合体のQ i部位に結合するといいると考えられる。

11)

う漠然とした考えが広がっている。このことがまちが

我々の研究室で行っているCET測定は、しばしばそいであることはしばしば指摘されているが13)、アンチの速度の遅さで批判を受ける。問題は超弱光下で測定

マイシン A の結合部位をきちんと調べた研究は少なを行っているところにある。そこで、弱光下で、LETい。我々は、アンチマイシンAがFQRのキノン結合部の存在下でCET活性を測定する技術を開発した17)。こ位を塞ぐ可能性が低いことを示唆する結果を得ていの系では、P S Iからの電子受容を制限することで、明る。

瞭にCETがLETと競合することを示すことができた。

作用機作が不明なこと以外にも、アンチマイシンA

残念ながら、この方法も定量性はないが、CET活性のをCETの研究に用いるには大きな問題がある。PGR5

有無を光照射下で評価することが可能になった。この依存経路の阻害にはミトコンドリア電子伝達を阻害す

方法を用いて、PGR5依存CETがLETと競合可能で、る濃度の2 0 0倍程度の高い濃度のアンチマイシンAを

特にPSIからの電子受容体が充分でないときに多くの必要とする点である（チラコイド膜での使用で 1 0

電子が分配されることが明らかになった17)。

。このような高濃度の阻害剤の使用は、様々

N D H依存C E Tは、変異株の表現型から考えても、な問題引き起こす。葉や細胞を用いる際には、呼吸鎖

PGR5依存CETよりかなり速度が遅いことが考えられの阻害がもちろん深刻であるが、葉緑体においてもる。しかしながら、我々の破砕葉緑体を用いたCET測N P Qの誘導を阻害することが知られている 1 5）。さら定法では、NDH複合体依存CETとPGR5依存CETは同に高濃度では、我々のアッセイ系で、LETも阻害する程度に見積もられ 5 ) 、明らかに超弱光下では、P G R 5ようである。光合成研究におけるアンチマイシンAの依存CETが充分に機能していない。しかし弱光下での使用に際しては、濃度を注意して最適化する必要があ

改良法では、NDH依存CETはほとんど検出されず、inる。このような問題を解決するため、我々は、PGR5

vivoでの速度をより反映していると考えられる17)。二依存 C E T を低濃度で特異的に阻害する薬剤の選抜をつのCETがいかに制御されているか理解が乏しいが、

µM）

3,14)

103

光合成研究21 (1) 2011

N D H依存C E Tを特異的に検出できるのは、光照射後と同様の活性を示すことからこの化合物を A A Lの一過的クロロフィル蛍光の上昇である 。この方法(Antimycin A-like) と名付け、さらに詳細な解析を行っも定量性はないが、この蛍光変化を指標にスクリーニ

た。細胞への浸透性など、まだ解決しない問題があるングを行うと、N D H複合体に異常を持つ変異株に行ものの、今後アンチマイシン A に代わる P G R 5 依存

き着く 。NDH複合体異常の明瞭な表現型として遺伝

CETの阻害剤として期待される化合物である。

4)

18)

学に利用可能である。

5. おわりに

我々の研究室で行われているCET測定の特徴と問題

生理学実験において特異的な阻害剤の利用は大き点を整理した。いずれの方法もクロロフィル蛍光測定

な威力を発揮する。しかし、阻害剤利用の宿命としに依存し、PSI周辺CETの評価のためにPSII活性に依て、阻害の特異性が問題となってくる。このような場存するクロロフィル蛍光を測定するのは、いかにも間合、変異株の利用が有力となる。しかしながら、pgr5

接的である。薬剤のスクリーニングにはこのクロロ

変異株のように、異常を持つ遺伝子の産物の機能が生

フィル蛍光を測定する方法で行ったが、この問題を解

化学的に明確になっていない場合、結果の判断が難し決するために、我々はpmf形成に依存するECS (electro

い場合がある。この研究の場合、アンチマイシン A

chromic shift)を測定することを試みた。これまでpgr5が、pgr5変異株で観察される表現型と半世紀以上前に変異株で明瞭な表現型を得ることに成功しており、今発見されたArnonのCETとを結ぶ橋となった。阻害剤

回見つかったAALに関してもこの方法で更に評価を進と遺伝学の併用により、生命についての理解は大きくめていく予定である。これらの成果については、別の進むことが考えられ、今後、AALがCET研究に貢献す

機会に報告したい。

ることを期待している。

4. アンチマイシンAに代わる阻害剤の探索

謝辞

我々は、以下の二つの理由からアンチマシシンA以A A L の探索は、京都大学農学研究院三芳秀人先

外にPGR5依存CETを特異的に阻害する化合物の選抜

生、安部真人先生との共同研究です。化合物の分与かを行った。一つ目の理由は、生理学実験に用いる際

ら、合成のご指導まで、お世話になりました。また、に、アンチマイシンAがCET以外に様々な反応を阻害

本研究の一部の内容は論文として投稿予定であり、する問題の回避である。これは、CETの阻害に高濃度

せっかく執筆の機会を与えていただきながら、研究結のアンチマイシンAを必要とすることに起因する。よ果の詳細を記載できなかったことをお詫びいたしまり低濃度で特異的に C E T を阻害する薬剤が得られれす。

ば、生理学解析に極めて有効である。もう一つの理由
は、もしアンチマイシンAと異なる作用機作を持つ薬

Received November 15, 2011, Accepted November 21,剤が得られれば、いまだ明らかになっていないフェレ

2011, Published December 31, 2011

ドキシン依存プラストキノン還元活性に関わるタンパ
ク質を同定できると考えたからである。
京都大学農学研究科の三芳秀人先生との共同研究

参考文献

で、PGR5依存CETを阻害する化合物のスクリーニン

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104

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21 (3) 2011

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Inhibitors of Photosystem I Cyclic Electron Transport
Yoshichika Taira*, Toshiharu Shikanai
Graduate School of Science, Kyoto University

105

光合成研究21 (3) 2011

TOPICS
光合成生物の緊縮応答
東京工業大学 バイオ研究基盤支援総合センター
増田 真二*
1. はじめに細菌がアミノ酸欠乏など栄養状態の悪い環境に遭遇

生物の生存には、不断に変動する栄養状態に適応す

すると、セカンドメッセンジャーとして機能する特殊るための生体システムが必須である。栄養に依存してな核酸分子、グアノシン 4 リン酸（ppGpp）の細胞内駆動する細胞内シグナリングおいて、核酸分子がしばのレベルが上昇する。ppGppはRNA合成酵素や翻訳開しば重要な働きをする。動物細胞ではAMP/ATP比が始因子に作用し、ゲノム上のほとんど全ての遺伝子のシグナルとなり、供給エネルギーに依存した大規模な発現を調節する。例えば、p p G p pレベルの上昇に伴代謝変動が引き起こされる 。細菌においては、緊縮

い、核酸やアミノ酸代謝に関連する遺伝子の発現が上応答と呼ばれる特殊な核酸分子による栄養依存のシグ

昇し、逆にrRNAの合成は抑えられる。GTPやGDPのナル伝達が古くから知られている 。近年、緊縮応答

アナログであるppGppは、核酸やアミノ酸代謝酵素のに関連する酵素が高等植物や藻類から見つかり、この

活性や、DNA複製を、競合的もしくはアロステリック

制御機構が生物界に広く保存されていることがわかっに制御することも知られている。この機構により、細。光合成生物にとって「光」は一種の栄養源

菌は、貧栄養環境に適応し、栄養状態が改善するまでであり、緊縮応答が光合成の調節に関与していることの時間を耐え忍ぶ。このppGppによる細胞内シグナルは想像に難くない。本稿では、光合成生物における緊伝達システムは、緊縮応答（stringent

縮応答の働きについて、最近の筆者らの研究を中心にばれている2)。

1)

2)

てきた

3,4)

response）と呼大腸菌におけるppGppの合成は、RelA (relaxed) およ

紹介する。

びSpoT (spotless) と名付けられた2つの酵素により触媒

2. 細菌の緊縮応答される（図1）。これらの酵素は、ATPのβγ位のピロリン酸をG T PもしくはG D Pの3 ’端に転移することでppGppを合成する。図2にRelAとSpoTの一次構造の模式図を示す。それぞれのN末端にppGppの合成に関わる領域が存在する。SpoTのN末端には、ppGppの分解を司るHDドメインも存在する。すなわち、ppGppの合成はRelAとSpoTにより、ppGppの分解はSpoTにより触媒される。
RelAとSpoTの活性は、それぞれ異なった機構により調節を受ける。大腸菌がアミノ酸飢餓条件に陥ると、アミノアシル化されていないt R N Aがリボソームに取り込まれアミノ酸重合（ペプチド結合形成）の空転反応が起こる。するとリボソームに結合している
RelAのppGpp合成が活性化される2)。一方、SpoTタン

図1 大腸菌におけるppGppの合成と分解
ppGppの合成はRelAとSpoTにより触媒され、ppGppの分解はSpoTで触媒される。ACP: アシルキャリアープロテイン。
* 連絡先

パク質はアシルキャリアープロテイン（ACP）と相互作用している5)。このことはSpoTの活性が脂肪酸合成

E-mail: shmasuda@bio.titech.ac.jp106光合成研究21 (3) 2011ができる。これらの代謝経路は、酸素や光といった外界の環境変動に応答して、極めて厳密にコントロール
される 8) 。筆者らは、この代謝経路の調節における緊縮応答の役割を R. capsulatus をモデルに調べた9)。α
プロテオバクテリアに属するR.

capsulatusのゲノムに

relA遺伝子はなく、この菌におけるppGpp合成はSpoT
タンパク質だけで行われると考えられた。spoT遺伝子
欠損体は得ることができず、この遺伝子は生育に必須であることがわかった。しかし核様体構成タンパク質
HvrAをコードする遺伝子の欠損により、spoT遺伝子
欠損の致死性が相補され、hvrA-spoT二重変異体は得ることができた9)。HvrAはもともと光合成遺伝子発現の負の転写因子として同定されたが10)、その後、代謝や電子伝達に関わる様々な遺伝子の発現を調節するこ

図2 RelA, SpoTとRSHの一次構造の模式図
p p G p p の合成と分解を触媒するドメインを異なる色で表した。RSH1にはppGppの合成に必須なGly残基が保存されていない（Serに変わっている）。RelAとCRSHにはppGppの分解を触媒するHDドメインが保存されていない。cTP: 葉緑体移行シグナル、TM: 予測される膜貫通領域、EF hand: Ca2+結合ドメイン。

とが明らかにされている10-12)。一方、hvrAの発現はレドックス応答性の二成分制御系であるRegA/Bによって調節される 1 3 ) 。このことは、S p o T依存の緊縮応答による遺伝子発現制御が、レドックスや光に応答した
核様体変動による遺伝子発現制御とリンクしていることを示唆している（図3）。実際hvrA-spoT二重変異体とリンクしていることを示唆しているが、具体的なは、光合成反応中心タンパク質や光捕集色素タンパク

SpoT活性化のメカニズムは明らかとなっていない。

質複合体の合成量が大きく低下していた9)。

近年のゲノム解析の進展により、r e l A遺伝子は、γNing（2011）らは糸状性シアノバクテリアAnabaena

および β プロテオバクテリアに属する細菌に特異的に

sp.

保存されていることがわかった。またグラム陽性菌のPCC7120を用いて、ヘテロシスト形成における緊縮応答の役割を調べた14)。ヘテロシスト形成が誘導さ一部からは、ppGpp 合成活性領域だけからなる特異なれる窒素欠乏条件下において、ppGpp量とSpoTタンパ

酵素が見つかっている3)。一方spoT遺伝子は、ほぼ全ての細菌種に保存されていた。このことから多くの細菌種では、SpoT のオーソログが ppGpp レベルのコン
トロールに関与すると考えられる4)。

3. 光合成細菌の緊縮応答
光合成細菌は、Proteobacteria、Cyanobacteria、Chlorobi、Chloroflexi、Firmicutes、Acidobacteria の6つの門に分類される 6 , 7 ) 。これらの門に属する全ての光合成細菌から ppGpp 合成酵素（RelA または SpoT）が見つかった（未発表）。しかし ppGpp 合成酵素が詳
しく調べられた光合成細菌は、P ro t e o b a c t e r i a門のRhodobacter capsulatus と Cyanobacteria 門の Anabaena

図3 紅色細菌における緊縮応答のモデル
二成分制御系のセンサーキナーゼR e g Bを介したレドックス
シグナルと、SpoTを介した栄養シグナルは、クローストーク
しながら光合成遺伝子の発現を調節する。実験的に示されたシグナル伝達を実線の矢印で、予想されるシグナル伝達を破線の矢印で示す。Nucleoid: 核様体。

sp. PCC7120 に限られる。
R. capsulatus をはじめとした Proteobacteria 門に属する多くの紅色細菌は、酸素呼吸、嫌気呼吸、光合成など異なったエネルギー代謝経路により生育すること107光合成研究21 (3) 2011

ク質量の上昇は見られず、緊縮応答はヘテロシストのと、この3つのタイプのR S Hタンパク質は、コケ植物

形成には関与しないと報告された。しかし著者らは、

Physcomitrellaを含む陸上植物全般に保存されている。

ppGppやSpoTの量を、培養した菌全体で調べており、一方、緑藻クラミドモナスのゲノムには単一のRSH遺ヘテロシスト特異的にそれらの量が上昇している可能

伝子が存在し、その一次構造は、R S H 1、R S H 2 / 3、性は否定できない。また、窒素欠乏条件下でのppGpp

CRSHいずれにも属さない 4) 。高等植物のRSHタンパ

量の上昇が他のシアノバクテリアを用いた研究で先にク質は、植物が陸上で生育するようになる際に機能分報告されている15,16)。シアノバクテリアにおける緊縮化したのかもしれない。

応答の機能を明らかにするためには、spoT遺伝子欠損

シロイヌナズナを用いてRSH遺伝子の詳細な発現パ体を作成し、その表現型を詳細に解析することが今後ターンを調べたところ、それぞれの発現が異なった位必要であろう。

相で日周変動していることがわかった 2 4 ) 。具体的には、RSH2/3、RSH1、CRSHの発現が、それぞれ昼、夕

4. 植物のppGpp合成酵素

方、夜にピークをむかえていた。このことから、昼間ゲノム解析の進展により、relA/spoTに相同性のあるの葉緑体内のppGppはRSH2とRSH3により比較的高い。それらはレベルに調節され、夕方になるとRSH1によりppGpp

RSH（RelA/SpoT homologs）と呼ばれている。モデルが分解され、夜間のppGppレベルは低く抑えられると植物シロイヌナズナのゲノムからは、RSH1、RSH2、予想された。植物内のppGpp量は暗期に低下すること

遺伝子が高等植物から見つかった

17-23)

RSH3、CRSH (Ca -activated RSH)と名付けられた４つがわかっており 2 5 ) 、このことは上記仮説と矛盾しなの R S H 遺伝子が見つかっている（図 2 ）。これらがい。また夜間のppGppレベルはCRSHによりCa 2+依存コードする4つのR S Hタンパク質のN末端には、葉緑的に上昇すると考えられた。葉緑体のカルシウム濃度

体移行シグナルの存在が予測されていたが、近ごろすは明暗で変動することがわかっており26)、この濃度変

べてが葉緑体に局在することが確認された 2 0 - 2 2 , 2 4 ) 。

化が緊縮応答のスイッチとなる可能性がある（図RSHの一次構造の中ほどに、ppGppの合成や分解に関4）。前述のように、細菌のRelAやSpoTは他の因子とわる S p o T と相同性のある領域が存在する。しかし相互作用することでその活性が調節されている（図RelAやSpoTにおいて、ppGppの合成活性に必要な保存1）。そのアナロジーから、植物のRSHの活性も、何されたGly残基がRSH1には保存されていない（Serにらかのシグナル因子により翻訳後に調節を受けている

変わっている）。またCRSHでは、ppGppの分解を司可能性が高い。この仮説のもと、現在それらの相互作

るHDドメインが保存されていない（図2）。このこと

用因子の同定を進めている。

2+からRSH2とRSH3はppGppの合成と分解の両方を触媒

イネやシロイヌナズナの R S H 2 遺伝子の発現は、するが、RSH1はppGppの分解だけを、CRSHはppGpp

ジャスモン酸やその前駆体である O P D A ( 1 2 - o x o -の合成だけを触媒すると考えられる。生化学的解析に

phytodienoic

より、CRSHのppGpp合成活性はCa 2+で活性化される

ppGpp量はジャスモン酸処理により増加することがわ

ことが確認されている（C末端のEF-handにCa 2+は結合する）21,22)。一方RSH2とRSH3の相同性は高く（~90%）、
これらはシロイヌナズナにおけるパラログである。すなわちシロイヌナズナのRSH
タンパク質は、 R S H 1 、
RSH2/3、CRSHの3つのタイ
プに分類でき、それぞれは機能分化していると考えられる。データベースを検索する

図4

高等植物における緊縮応答のモデル

108acid)処理で誘導される24)。植物内の光合成研究21 (3) 2011

かっており25)、このppGppレベルの上昇はRSH2の発現唆された。単離した葉緑体の m R N A 合成活性は、誘導により引き起こされると考えられる。またシロイ

ppGppにより濃度依存的に抑制されることから25)、いヌナズナのRSH2は、ABA処理、傷害、塩ストレス等

ずれの機構が働くにせよ、ppGppは葉緑体遺伝子の転でもその発現が誘導される

23,24)。様々なストレス依存

写を主に負に制御するようである。

的なRSH2の発現誘導は、葉緑体の緊縮応答をコント

細菌における翻訳もppGppによる制御を受ける。細ロールする上で重要と考えられるが、その応答の生理菌における翻訳の開始には、翻訳開始因子I F 2による的重要性はよくわかっていない。

GTPの脱リン酸化反応が必須である。ppGppは、IF2のGTP結合サイトに競合的に相互作用し、翻訳開始を

5. 植物の緊縮応答阻害する33)。葉緑体遺伝子の翻訳機構は細菌由来のシ

シロイヌナズナの4つのR S Hタンパク質は全て葉緑

ステムを引き継いでおり、葉緑体で機能する翻訳開始

体に局在することから、植物のRSHタンパク質は葉緑因子cIF2も同定されている34)。ppGppによる葉緑体遺体の細胞内共生時に植物細胞にもたらされたとする説

伝子の発現制御は、転写レベルだけではなく翻訳レベが有力であった20)。しかし最近のRSHタンパク質の系

ルでも行われている可能性が高い。

統解析の結果は必ずしもこの説を支持してはおらず
4)

その他、細菌におけるプリン塩基の生合成酵素の一、植物は水平伝播によってある種の病原性細菌から部がppGppによりアロステリックな制御を受けること

RSH遺伝子を獲得した可能性が示唆されている17)。いが知られている35,36)。植物細胞におけるプリン塩基のずれにしてもppGppを介した原核生物型の緊縮応答が生合成は葉緑体で行われると考えられており37)、それ

葉緑体内で行われることは確実である。では葉緑体のらの生合成もppGppにより制御を受けている可能性はどのような機能がppGppにより制御されるのであろう

高い。プリン塩基（ATPやADP）はサイトカイニンのか？

前駆体ともなり38)、緊縮応答は間接的にサイトカイニ

細菌における最も知られたppGppの作用は転写の調

ン合成を調節することも予想される。またppGppが細節である。これまでにppGppによる２つの異なる転写胞質に移動し、様々なタンパク質の活性を制御してい調節機構が知られている。１つは、ppGppがRNA合成

る可能性もある。シロイヌナズナのCRSHノックダウ

酵素（βまたはβ’サブユット）に結合することで、そン体は花の形成が異常になり稔性が大きく低下するこの転写効率を直接変化させる機構であり27-29)、もう１とから22)、葉緑体で行われる緊縮応答が植物の様々なつは、ppGpp合成によりGTPやATPが消費されること高次機能を制御していることは確実である（図4）。

でR N A合成の基質が減少し、間接的に転写の抑制がそのメカニズムを今後明らかにする必要がある。近起こるというものである30)。前者の機構は主に大腸菌

年、緊縮応答とは関係がないと思われたタンパク質ので、後者の機構は主にBacillus属の細菌で詳しく調べ

結晶中に、ppGppが結合していた例も報告されているられている。葉緑体ゲノムの転写は、細菌型RNA合成酵素であるPEP（plastid-encoded

plastid39)

RNA。従来の遺伝学的解析に加え、案外このような研究から植物型緊縮応答の実体を明らかにする手がかりがp o l y m e r a s e）とT 7ファージ型R N A合成酵素である得られるかもしれない。

NEP（nuclear-encoded plastid RNA polymerase）といった異なる２種類の酵素により行われる 3 1 ) 。最近、Received October 24, 2011, Accepted November 4, 2011,

ppGppがPEPに直接結合することが生化学的に示され
32)

Published December 31, 2011

、ppGppによる葉緑体ゲノムの転写制御は、少なくとも P E P 依存でおこることが示された。しかし参考文献

Bacillusで見られるような緊縮応答時のppGpp合成による間接的な転写抑制機構の存在もまだ否定されてはい

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109

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The Stringent Response in Photosynthetic Organisms
Shinji Masuda*
Center for Biological Resources and Informatics, Tokyo Institute of Technology

111

光合成研究21 (3) 2011

解説特集「 光合成の光エネルギー変換メカニズム―物理学的手法によるアプローチ――」
Editor野口

巧(名古屋大学 大学院 理学研究科）

序文
野口

巧

(名古屋大学 大学院 理学研究科）
P. 113光合成水分解・酸素発生を可能にする光化学系IIの原子構造沈建仁（岡山大学 大学院 自然科学研究科）
P. 114 〜 121

水分解酸素反応を可能とさせるPhotosystem IIにおけるクロロフィル上の電荷配置
石北央1, 2、斉藤

圭亮1（1京都大学 生命科学系キャリアパス形成ユニット
JSTさきがけ 「光エネルギーと物質変換」領域）

2

P. 122 〜 127

光合成系での光捕集過程を構造に立脚して理解する柴田穣

（東北大学 理学研究科 化学専攻）
P. 128 ~ 134112

光合成研究21 (3) 2011

解説
序文‡
名古屋大学 大学院 理学研究科
野口

巧*

光合成研究の最大の特徴は、「光合成」を軸として、基礎から応用に渡り極めて広い分野にまたがって研究が行われていることであろう。応用に関しては、従来からの農学的な視点に加え、近年のエネルギー問題、地球温暖化問題を反映して、人工光合成やバイオマスなど、太陽光エネルギー利用や二酸化炭素削減の観点からの研究が注目され、重要性を増してきた。しかし、これらの研究は樹木で例えるならば、生い茂る葉や果樹に相当するものであり、その幹には、光合成メカニズムの解明という基礎研究が存在している。光合成のメカニズム研究
は、紅色細菌型反応中心、光化学系Ｉや光化学系Ⅱなど、重要な光合成蛋白質の構造が解明されるに従い、植物学や植物生理学から、次第に化学や物理学の領域に広がり、励起エネルギー移動や電子移動を構造情報に基づいて定量的に語ることが可能になってきた。
この特集では、そうした光合成メカニズム研究の中で、「光合成の木」の「根っこ」の部分にあたる、物理学的な手法による研究を取り上げた。先の第二回日本光合成学会（2011年6月3-4日

於：京都大学）でのシンポジ

ウム「光合成の光エネルギー変換と物質変換」でのセッション１「光合成の光エネルギー変換メカニズム―物理学的手法によるアプローチ―」における演者の方々に講演の内容を文章にしていただいた。まずは、沈建仁氏（岡山大）による、光化学系Ⅱ蛋白質複合体の1.9 Å分解能でのＸ線結晶構造解析の話である。これは最近の光合成研究の中で最もホットな話題であり、それまで謎であった酸素発生マンガンクラスターの構造の詳細とその周りの水分子の位置が決定された。この仕事により、酸素発生メカニズムの研究が飛躍的に前進したことはいうまでもない。こうした高分解能のＸ線結晶構造は精密なエネルギー計算を可能にする。そこで次に、石北央氏（京都大学）にクロロフィルの電子構造とエナージェティックスに関する計算科学の研究について書いていただいた。如何にしてクロロフィルは水を分解できる程の高い酸化力を獲得したのか。そのメカニズムの詳細が語られる。最後は、柴田穣氏（東北大）による、クロロフィルの励起移動過程の超高速計測と、構造情報を基にした理論解析についての記事である。光合成過程はフェムト秒、ピコ秒オーダーの光吸収、励起移動から始まるが、この超高速の時間域においても光保護の巧妙な調節機構が潜んでいることが示される。これらの記事から、日本から発した物理的手法による光合成研究の進展と展望をお伝えできれば幸いである。

‡

解説特集「光合成の光エネルギー変換メカニズム ―物理学的手法によるアプローチ―」* 連絡先 E-mail:tnoguchi@bio.phys.nagoya-u.ac.jp113

光合成研究21 (3) 2011

解説
光合成水分解・酸素発生を可能にする光化学系IIの原子構造‡
岡山大学 大学院 自然科学研究科
沈 建仁*
1. はじめにを経て、2分子の水を1分子の酸素、4つのプロトンと酸素発生型光合成において、光化学 II (Photosystem

4つの電子に分解することが分かっている。K o kサイ

II, PSII) における水分解・酸素発生反応の機構は最大

クル (S状態遷移) における各遷移状態は、S4を除いてで最後の謎と言っても過言ではない。なぜなら、水すべて実験的に捕捉できるようになった。そのうは地球上豊富にある極めて安定な物質であるが、PSII

ち、暗黒で安定に存在するのはS1状態であり、一定時

ではいとも簡単に分解されており、その仕組みについ間（数分―数十分）暗順応したチラコイド膜やPSII試てはこれまで世界中で数十年間研究されてきたにも拘料では、S0 : S1 = 0.25 : 0.75の比率で存在するが、さら

わらず、未だ明らかとなっていないからである。しかに長時間（数時間―1日）暗順応した試料では、ほぼし、PSIIによる水分解反応が生物の進化や地球環境の100% S1状態になる。これは、YDと呼ばれる、反応中維持にも極めて重要であることはいうまでもない。

心タンパク質の一つであるD 2サブユニットに結合し水の分解によって生じる電子は、チトクロムb 6 /f複合ているチロシン残基 Tyr160により、S0状態のMn4Caク体、PSIを経由してNADP の還元に用いられ、また、ラスターが酸化されるからである1)。

+

プロトンはチラコイド膜のルーメン側に蓄積して、膜を隔てたプロトン濃度勾配の形成に貢献することに

2. PSIIの結晶化

よってATP合成の駆動力を供給する。何よりも、光合

これまでの膨大な研究にも拘わらず、Mn 4 Caクラス

成にとって不要な副産物である酸素は、地球上の好ターの詳細な構造は長い間不明であり、そのため、気的生物の生存を可能にし、オゾン層の形成・維持に不可欠である。今日、藻類や植物による光合成で産出される酸素の量は年間2600億トンと見積もられており、約4600年で大気中の酸素が1回入れ替わることになる。これは言い換えれば、もしPSIIによる水分解反応が止まり、酸素が産出されなければ、大気中の酸素は4600年で好気生物によって使い果たされることになる。人間などは現在の21%の酸素濃度が1/4―1/5低下すると、生活が困難になってくるため、PSIIによる水分解反応が止まれば、人類文明は1 0 0 0年と維持できなくなるであろう。
PSIIにおける水分解・酸素発生反応の機構を解明するため、これまで多くの生化学、生物物理学、分子
生物学的手法を用いた研究が展開され、膨大な知見が蓄積されてきた。この反応の直接の触媒中心は４つのMnと１つのCaからなるMn 4 Caクラスターであり、
図1

それがKokサイクルと呼ばれる4周期サイクル（図1）‡

酸素発生反応のKokサイクルモデル。

解説特集「光合成の光エネルギー変換メカニズム ―物理学的手法によるアプローチ―」* 連絡先 E-mail: shen@cc.okayama-u.ac.jp114

光合成研究21 (3) 2011

水分解・酸素発生反応の機構は未だ解明されていなあった。この主な原因は、酸素発生活性の維持に必い。その最大の原因は、PSIIが巨大な膜タンパク質複

要な3つの表在性タンパク質 PsbO, PsbP, PsbQ が PSII

合体であり、その高分解能結晶化が困難であったこへの結合が弱く、精製の段階で脱落しやすい ( P s b P,とである。PSIIの構成サブユニットは原核生物のシアP s b Q ) ためであった 2 ) 。常温性のシアノバクテリア

ノバクテリアと真核の藻類、高等植物の間で若干の違

Synechocystis sp. PCC 6803を用いた研究も盛んに行わいがあるが、その中心部分やMn4Caクラスターの周辺れていたが、このシアノバクテリアからは酸素発生活は高度に保存されている。これまで構造解析が行われ性を保持したP S I Iコア標品の精製すらほとんどできたシアノバクテリア由来のPSIIは17種の膜貫通サブユ

ず、PSIIに関する研究は主に遺伝子操作技術で特定のニットと3種の膜表在性（親水性）サブユニットを含アミノ酸を改変した変異株の細胞、あるいはチラコ

み、これ以外に 3 5 分子のクロロフィル、カロテノイ

イド膜を用いたものであった。結晶化に適した、安ド、プラストキノン、ヘム、非ヘム鉄、Mn, Ca, Clな

定なPSIIコア標品を得るには、好熱性シアノバクテリ

ど多数の補欠因子を持ち、総分子量が 350 kDa に及ぶ

アが有望であると考えられたので、当時入った理化学複合体であり、さらに二量体として存在している。こ研究所太陽光エネルギー研究グループの主任研究員井のような巨大膜タンパク質複合体の構造を解析するに

上 頼 直 さ ん に 言 わ れて、 好 熱 性 シ アノバ ク テ リ ア

は、Ｘ線結晶構造解析法より他に方法がないが、そThermosynechococcus vulcanusを用いてPSIIの精製を始のためには、まず良質な結晶を得ることが必要不可めた。このシアノバクテリア及びそれに近縁の T .

欠である。

elongatusからPSIIを精製した報告は以前にあったが、PSIIを結晶化するため、筆者は1990年にその精製に得られたPSIIの活性は高等植物のものとほぼ同じ1000着手した。結晶化には、室温で高い安定性を持つPSII

μmoles O2/mg Chl/hr程度で、表在性タンパク質としてが望ましいが、それまでのPSIIに関する研究は、高等はPsbOのみが結合しており、高等植物のPsbP, PsbQに植物を材料として用いたのがほとんどであった。しか対応するものがないとされていた 3) 。しかし、精製途

し、植物から精製したPSIIコア標品（アンテナタンパ

中の粗PSII標品は3000 μmoles O2/mg Chl/hrを超える活

ク質を除いた、酸素発生能を持つPSIIの最小単位）は性を示していたので、純化したPSIIコア標品の活性が不安定で、常温ですぐに失活してしまうという欠点がなぜそれより著しく低かったかという謎があった。

図2 PSIIにおける電子伝達成分の配置。
各補欠因子間の距離は1.9 Å分解能で解析された構造中の分子のセンター―センター間の距離を示している。

115

光合成研究21 (3) 2011

さらに、得られたコア標品にはまだ侠雑物と思われるバンドが数個あり、結晶化には適していなかった。
筆者はより高純度で安定な標品を得るため、精製方法を改良した 4 ) 。その結果、酸素発生活性が 3 0 0 0μmoles O2/mg Chl/hrを超える高純度のPSIIコア標品を得ることに成功した。興味深いことに、得られた標品には新しいタンパク質が2つ含まれ、その後の研究によって、表在性タンパク質の PsbU (12 kDa) とPsbV (チトクロムc550) であることが分かった5-7)。
T. vulcanusから精製したPSII標品を用いて結晶化を始めたが、経験不足もありＸ線回折能を持つ結晶を得るには至らなかった。1 9 9 4年の光合成ゴードン会
議に結晶らしきかたまりをポスターで発表した時、WittやBarberがそれを見て、その後すぐにT. elongatus
からP S I Iの精製、結晶化に着手した。結局、Wi t tグ
ループのZ o u n iらがP S I Iの結晶化に最初に成功し、2001年に3.8 Å分解能の構造をいち早く報告した8)。筆者らは2003年にT. vulcanusからのPSII構造を3.7 Å分解能で報告し 9 ) 、さらにB a r b e rグループは2 0 0 4年にT.
elongatus由来PSII構造を3.5 Å分解能で報告した10)。そ図3 A. チラコイド膜の側面から見た1.9 Å分解能における
PSII二量体の全体構造。B. タンパク質を除いた水分子の分布。
真ん中の線は2回対称軸で、2つの単量体を分けている。赤い丸はMn 4 CaO 5 クラスターの位置を、青色のボールは水分子を示している。

の後 Z o u n i らは結晶の分解能を少しずつ向上させ、2009年に2.9

Å分解能の構造を報告した11)。これらの構造解析により、PSIIを構成する20サブユニットすべての配置、35クロロフィル分子や10個程度のカロテノ
イド、2つのプラストキノン(QA, QB)、2つのヘム鉄(チトクロムb559, チトクロムc550）、非ヘム鉄、20個以上の改善を続け、2008年までに2.9―3.0 Å分解能の結晶の脂質などの配置が示され、PSII電子伝達鎖の構成成を得ていた。しかし、これより高分解能を与える結分間の相対位置関係がだいたい明らかとなった晶を得るには標品の純度や結晶化条件の抜本的改善（図2）。しかし、これまで最高の 2.9 Å 分解能でが必要であった。これらの改善を続けた結果、2 0 0 9

は、Mn4Caクラスターの構造を解明するには不十分で年夏の終わりに、当時大学院生であった川上君が実あった。4つのMnと1つのCaイオンが存在することは験室のＸ線装置を用いて 2.5―2.6 Å 分解能の回折ス

分かっていたが、得られた電子密度図ではこれらのポットを与える結晶を得ることに成功した。この結原子を示すものが一つのかたまりとなっており、一晶はこれまで得た結晶と明らかに異なり、構造解析

つのサッカーボール中に5つの金属イオンを配置しよで大きな問題となる回折パターンの異方性や3.0―3.5

うとするようなもので、それぞれの金属イオンの位置

Å付近で見られる、不規則的な分子の配列に由来するを決定することはできなかった。さらに金属イオンと思われるdiffuse scatteringが極めて小さかった。この間をつないでいる酸素原子（オキソ酸素）、あるい

回折パターンを見た時、SPring-8のＸ線を用いればさは基質として存在するであろう水分子に対応する電子

らに分解能の高い回折データを取得することができ

密度は全く見えなかった。また、Mn4Caクラスターのることを知っていたので、これまでの最高分解能であ

アミノ酸配位子もすべて確定されたとは言えず、各グ

る2.9―3.0 Åの壁を大きく突破したことを感じた。そループ間で異なった配位パターンが報告されていた。

の後細かい改善を加え、 2 0 0 9 年 1 1 月の終わりに

PSII結晶の分解能を向上させるため、筆者の研究室

SPring-8で1.9 Å分解能の回折データを収集し、さらにではT. vulcanus PSIIを用いて標品の純度や結晶化条件

約1年間大阪市立大学神谷さんの研究室で構造解析を

116

光合成研究21 (3) 2011

る。クロロフィルのポルフィリン環の中央にあるM g
は通常、H i sなどのアミノ酸によって配位されるが、PSIIにある35分子のクロロフィルのうち、7つは直接の配位アミノ酸を持っておらず、代わりに水がM gに配位している（図4）。これらのクロロフィルには、直接の水配位子以外に、さらに 2 つの水が近傍にあり、水素結合を形成している。つまり、アミノ酸配位子を持っていないクロロフィル1個あたりに、3つの水分子が存在することになり、これらは膜貫通領域で

図4 水を配位子とする2つのクロロフィルの例。
反応中心にある「アクセサリー」クロロフィルChlD1, ChlD2を示した。赤のボールはMg, 青のボールは水分子である。

見つかった水のほとんどを占めている。

4. Mn4CaO5クラスターの構造行ってもらい、最終構造を得た。この構造を報告す

Mn4Caクラスターは、これまで詳細な構造が不明でる論文を発表したのが本年なので12, 13)、結晶化を目指あったため、Mn4CaOXクラスターとも書かれていた。

して好熱性シアノバクテリアからPSIIの精製に着手し1.9 Å分解能では、Mn, Caイオンの電子密度がはっきてから21年目ということになる。

り分かれており、それぞれの金属イオンの位置、及び

3. PSIIの全体構造
1.9 Å 分解能で解析された PSII 構造の最大の特徴の一つは、多くの水分子が見つかったことである（図3）。最終的に決定された構造では、PSII二量体あたりに2 7 9 5個の水分子が同定できた。同じ結晶を用いて、1.75 Å のＸ線波長で収集したデータを用いて解析された2.5 Å分解能の構造では、二量体あたり862分子の水しか見つからなかったことからも12)、水分子の同定に高い分解能がいかに重要かが分かる。
PSIIに結合している水のほとんどは、チラコイド膜のストロマ表面とルーメン表面という2つの層に分布しており、膜貫通領域にはわずかな水しか結合していない(図3B）。これは膜タンパク質の一般的な特徴ともいえるが、PSIIではルーメン側により大きな親水性領域があり、より多くの水分子が分布している。これ
らの水分子は、膜表面から突き出ているD1, D2, CP47,
CP43の親水性ループや3つの表在性タンパク質の中に多く存在し、ルーメン側に大きな親水性領域が存在することと対応している。後で述べるが、これらの水分子のうち、Mn4Caクラスターの配位子や水素結合ネッ
トワークの形成に参加しているものもあり、 P S I I にとって重要な機能の一部を担っている。
膜貫通領域は疎水性であり、水はほとんど存在しないとされていたが、PSIIの膜貫通領域にはいくつか

図5 A.Mn 4 CaO 5クラスターの構造と各原子間の距離( Å) 。
W 1―W 4は水分子。B .ゆがんだ椅子型の形がよりはっきり見えるようにAの構造を回転したもの。

の水分子が存在し、それらのほとんどはクロロフィルの配位子、あるいはその水素結合相手として働いてい117

光合成研究21 (3) 2011

それらの間の距離をはっきりと決定することができも重要な意味を持っており、触媒活性を持つ人工触。さらに金属イオン間をつないでいるオキソ酸

媒を得るには、非均一触媒 (heterogeneous catalysisあ素に対応する電子密度もはっきり確認することがで

るいはasymmetric catalysis) の原理を応用した非対称

き、4つのMn, 1つのCaをつないでいるのが5つの酸素構造を持つ化合物を見つけることが重要かもしれな

原子で、全体がMn4CaO5という化学式であることが初い。

た12,13)

Mn 4 CaO 5クラスターには、4つの水分子が配位してめて分かった(図5）。
解析されたM n 4 C a O 5 クラスター構造の最大の特徴

おり、そのうち、2つはキュバンの外側にあるMn4には、ゆがんだ椅子型であるということが言える。こ(W1, W2)、残りの2つはCaに結合している。このことのうち、3つのMn, 1つのCa, 4つのオキソ酸素が歪んは、これら水分子のうちの 1 つまたは 2 つは水分解のだキュバン型のイスの座部を作り、4つ目のMnはキュ基質として働いていることを示唆している。上に述べバンの外側にあり、オキソ酸素を通してキュバンとつたように、O 5が反応部位の一部を形成している可能

ながっている。

性が高いことを考えると、O―O結合が形成されるのこのようなゆがんだ形を作り出している要因は２つ

は、 O 5 付近である可能性が高い。 4 つの配位水のうあり、１つは M n ― O 間と C a ― O 間の結合距離の違ち、Mn4に結合しているW2とCaに結合しているW3はい、もうひとつは5つのオキソ酸素の間で、金属イオ
ンとの結合距離に違いがあることである。M n―Oの典型的な結合距離は 1.8―2.1 Åであるが、それに対して、Ca-O間の結合距離は 2.3―2.5 Åと明らかに長い。
キュバンの中で、金属イオンは3つのMnと1つのCaであるため、オキソ酸素との結合距離に違いが生じていた。また、5つのオキソ酸素のうち、O 1―O 4に比べて、O5とMn、あるいはO5とCaとの結合距離が明らかに長くなっていた。例えば、O5―Mn3の距離は2.4
Åで、O5―Mn1, O5―Mn4の距離はそれぞれ2.6 Å, 2.5
Åであった。これらの距離は、無機M n化合物と比較すると考えられないほど長く、結合していないことすら示唆している。さらにO5―Caの距離も2.7 Åで他のO―Ca間距離より長い。このことは、５つのオキソ酸素のうち、特にO 5は周りの金属イオンとの結合が弱くて切れやすい、言い換えれば、O 5が高い反応性を有していることを示唆している。
Mn4CaO5クラスターの構造が非対称で「ゆがんでいる」ことは、水分解反応の触媒機構を考える上で重要な意味を持っているかもしれない。水分解の触媒として働くためには、それ自身が反応の過程で構造変化を行い、基質である水の分解に伴い構造が元に戻るという構造上の「柔軟性」を備え持つ必要がある。実際、水分解のS-stateサイクルでは、Mn4CaO5ク
ラスターの構造が変化することが分光学的手法で検出されている。Mn4CaO5クラスターがもし対称的で規則正しい構造を形成していれば、反応に伴う構造の変図6 A. Mn4CaO5クラスターの配位構造。B. 直接の配位子
以外に、Mn4CaO5クラスターに水素結合を形成する3つの残基 (CP43-R357, D1-D61, D1-H337) の構造。

化が容易ではなく、触媒活性が発揮できないかもしれない。これは、水分解の人工触媒を合成する上で118

光合成研究21 (3) 2011

O 5 と最も近く、それぞれ O 5 と水素結合距離内にあHis337のうち、どれか一つを改変した変異株ではPSIIる。従って、O5, W2, W3のうちのどれか2つの分子種の活性が大きく損なわれる、あるいは失われること

が水分解の基質として働き、O―O結合を作っているが知られている。

ことが示唆された。

5. 水素結合ネットワーク

オキソ酸素と水以外に、７つのアミノ酸がMn4CaO5
クラスターの配位子として働いていることが分かった

水分解反応において、2分子の水が分解される時、4（図6 A）。そのうち、6つがカルボキシル基で、1つつのプロトンが放出されることになる。Mn4CaO5クラのみがHis残基であった。カルボキシル基のうち、一スターはチラコイド膜の表面に存在し、大きな親水

つのみがCP43由来のGlu354で、他はすべてD1サブユ

性タンパク質領域に覆われているので、放出されたプ

ニットのものであった（D1-Asp170, Glu189, Glu333,

ロトンが反応部位に留まると、局所的なp Hが急激に

Asp342, 及びC末端であるAla344）。そしてHis残基も低下し、活性部位を破壊してしまう可能性が高い。こ

D1由来のHis332であった。His残基はMnと1本の結合のため、プロトンは素早く複合体表面、ルーメン側のを作っているが、カルボキシル基のうち、D1-Asp189

バルク溶液に排出される必要がある。これまでの構以外はすべてそれぞれ２つの金属イオンにブリッジす

造では水分子が見えなかったので、水とアミノ酸残基

る形で2本の結合 (bi-dendate結合) を作っている。そのから構成される水素結合ネットワークが特定できず、

結果、すべてのMnには6つの配位子、そしてCaには7つの配位子が存在していることになる。
高分解能で同定された配位子のうち、これまで報告された配位子構造と明らかに異なる点が2つある。
一つはD1-Asp170で、以前の構造ではMn4にのみ結合しており、 C a には配位していなかったが、新しい構造ではMn4とCaの両方に配位していた。もうひとつはD1-Glu189に関するもので、従来Mn1とCaの両方に配位していたのに対して、新しい構造ではMn1のみに配位していた。新しい構造では、4つのMnと1つのCaの配位子が飽和していたので、これ以外の配位パターンは考えられない。
以上に述べた直接の配位子以外に、Mn4CaO5クラス
ターのオキソ酸素に直接、あるいは間接的に水素結合しているアミノ酸残基が 3 つある。このうち、
CP43-Arg357はオキソ酸素のO2とO4に、D1-His337はO3に直接水素結合し、D1-Asp61は水分子を通してO4に水素結合でつながっている（図6 B）。これらの水素結合は、オキソ酸素をクラスターの外側に向かって引きだし、金属イオンであるMnやCaとの結合が強くなりすぎないようにする役割を持っているかもしれない。このような水素結合が存在しない場合、
Mn―O, 及びCa―Oの結合が強くなり、典型的な無機化合物で見られるような結合距離となり、構造が
図7 A．M n 4 C a O 5 クラスターからY Z を経由した水素結合
ネットワーク。B. Mn4CaO5クラスターからD1-D61, Cl-1を経由した水素結合ネットワーク。
両方の図において薄緑色で表した部分は、ルーメン側表面の溶液領域を表している。

「硬く」安定的なものになるかも知れない。このよ
うな「硬い」構造は触媒に求められる構造変化能を持つことが難しく、従って触媒活性が失われることが予想される。実際に、CP47-Arg357,

D1-Asp61,

D1-

119

光合成研究21 (3) 2011

プロトンの排出はタンパク質の中を通る間隙である

唆されていたが、水素結合ネットワークが形成されて。しかし、プロいることは高分解能構造で初めて明らかになった。

トンは水素結合ネットワーク上を脱プロトン化とプ

Cl-1はMn4CaO5クラスターからの水素結合ネットワー

ロトン化のリレーの形で初めて効率的に輸送される

クの起点に近い位置にあり、プロトンチャンネルのので、水分解の活性部位であるMn4CaO5クラスターか構造維持に役立っているかも知れない。

チャンネルの形で議論されていた

14-16)

ら複合体のルーメン側表面までをつなぐ水素結合ネッ

6. 今後の展望

トワークの存在が必要であった。このような水素結合ネットワークは、1.9 Å 分解能の構造で初めて同定

PSIIと同程度の巨大膜タンパク質複合体の中で、1.9可能となった。その結果、複数個の水素結合ネット

Å分解能はこれまで解析された構造の中で最高のもの

ワークが見つかり、そのうちの典型的なものを2つ下である。これによってMn4CaO5クラスターの詳細な構に紹介する。

造、水分子の存在位置、水素結合ネットワークなど

水素結合ネットワークの１つはYZと呼ばれる、D1-

多くの新しい知見が得られ、水分解・酸素発生の反Tyr161残基を経由したものである。YZはPSIIの反応中

応部位についても重要な情報が得られた。しかし、心であるP680に電子を渡し、その代わりにMn 4 CaO 5

解析された構造は主に暗黒で安定なS1状態のものであクラスターから電子を奪い取る役割を持っている重要り、この構造のみから水分解の反応機構を決定するな電子伝達体であるが、水分解に伴うプロトンの排ことは困難である。O―O結合の形成についても、少出にも関わっていることが以前から示唆されていた17,

なくとも3つの可能性、すなわち、O5―W2, O5―W3,。高分解能構造において、Y Z はC aに結合している

W2―W3が残されている。今後はS状態遷移に伴う中水W4と直接、またはW3、さらにMn4に結合している

間状態、少なくともS2, S3状態の構造を解明する必要

W1, W2とは別の水を経由して間接的に水素結合でつがある。また、プロトンチャンネル、水チャンネルをながっている（図7A）。一方、Mn 4 CaO 5 クラスター

明確に同定するには、各水素結合ネットワークを構の反対側でY ZはD1-His190と水素結合し、D1-His190

成しているアミノ酸残基を改変し、得られた変異株のはさらにD1-Asn298や他のいくつかの荷電/親水性アミ構造・機能解析を行う必要がある。さらに酸素チャノ酸、及び水分子と水素結合ネットワークを形成

ンネルの同定も必要であるが、これは疎水性チャン

し、このネットワークは最終的にPsbVのC-末端に近ネルの可能性が高く、酸素に近い性質を持つ不活性

いPsbV-Lys129残基を経てルーメン側の溶液に出てい化ガスを導入した結晶構造解析を行う必要がある。

る。従って、プロトンはこのネットワークを経由してそしてPSIIの多くの構成サブユニット、特に 10 kDa

Mn4CaO5クラスターからルーメン側溶液に排出される以下の低分子量サブユニットの機能を解明するため、可能性がある。このネットワークは、Y Z の電子伝達

それぞれの欠失変異体の構造・機能解析を行い、サ活性と連動していることから、PCET(proton-coupled

ブユニットの欠失により引き起こされる構造変化を明electron transfer）パスとも呼ばれている。しかし、最らかにする必要がある。このようなPSIIの構造・機能

近の研究でこのパスがプロトンの排出に働いていな解析には、Ｘ線結晶構造解析だけでなく、微小な変いことも報告されており、この経路が実際に機能して化を検出できる振動分光法21, 22)を中心とした物理的測いるかどうかはさらなる研究を待たなければならな定法や理論計算を活用することが重要である。

18)

い。
高分解能構造で見つかった典型的な水素結合ネッ

なお、本稿で述べた筆者らの研究は、神谷信夫、

トワークの2つ目の例は、Mn4に結合している水分子

梅名泰史、川上恵典諸博士との共同研究であることの一つであるW2を起点として、D1-Asp61, Cl-1、及びを附記しておく。

いくつかの荷電 / 親水性アミノ酸、水分子によって構成され、最終的にルーメン側溶液に出ている（図Received November 8, 2011, Accepted November 9, 2011,7B）。このうち、Cl-1はMn4CaO5クラスターの近傍にPublished December 31, 2011

見つかった2つの塩素結合部位のうちの一つで 19,20) 、これを通したプロトンチャンネルは以前の構造で示

120

光合成研究
参考文献

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Atomic Structure of Photosystem II That Enables Photosynthetic Water-Splitting
Jian-Ren Shen*
Graduate School of Natural Science and Technology, Faculty of Science, Okayama University, Japan121

光合成研究21 (3) 2011

解説
水分解酸素反応を可能とさせるPhotosystem IIにおけるクロロフィル上の電荷配置‡
1京都大学 生命科学系キャリアパス形成ユニット
2JSTさきがけ 「光エネルギーと物質変換」領域

石北

1. はじめに央1, 2, * 、斉藤圭亮1

移動経路が存在するように見える。しかし、実際の光合成反応では、太陽光の光エネルギーを生物が

電子移動は、一方の電子移動経路 (PSII：D1)でのみ観利用しやすい電気化学エネルギーに変換する。この測され、もう一方の電子移動経路（P S I I：D 2）は不過程は、生体膜中の光合成反応中心蛋白質で行われ活性である。PSIでも同様なコファクター配置が見受る。シアノバクテリアから高等植物では、Photosystem

けられる（例えばP700と呼ばれるChl二量体を持つ）

II（PSII）とPhotosystem I（PSI）の二つの反応中心蛋が、Pheoの代わりにChl、非ヘム鉄の代わりに3つの白質が共役して行う(図1)。PSIIの反応中心ではクロロ

鉄・硫黄クラスターが存在する。さらに、疑似 C2 対フィル（Chl）二量体が一対(PSIIではP680)、その近傍

称軸に対して存在する二つの電子移動経路共に電子移に単量体のChl (アクセサリーChl) 1対、フェオフィチ

動活性がある1)。なお、PSIIのP680はPD1とPD2、PSIのン(Pheo)1対、キノン（Q）1対、そして非ヘム鉄が存

P700はPAとPB、と呼ばれるChl単量体のペアである。

在する。これらは、Chl二量体の中点と非ヘム鉄を結（D1 / D2、A / B、は、各々のChl単量体が存在する蛋ぶ疑似 C2 対称軸に配置されているため、二つの電子

白質サブユニット名である。）

図1 PSI（右）、PSII（左）の光合成反応中心における酸化還元活性コファクターの配置および電子移動経路（赤矢印）。
‡

解説特集「光合成の光エネルギー変換メカニズム ―物理学的手法によるアプローチ―」* 連絡先 E-mail: hiro@cp.kyoto-u.ac.jp122光合成研究21 (3) 2011

私たちは、蛋白質立体構造を理論化学的手法で解

私たちは最新の Thermosynechococcus vulcanus (T.

析することにより、「蛋白質の構造と機能の関係」

vulcanus) 由来のPSII高分解能（1.9 Å）結晶構造2)の原を明らかにすべく研究を行っている。ここでは、最新

子配置において、quantumのPSII高分解能（1.9 Å）結晶構造 をもとにPSIIを解

mechanical (QM / MM) approachを用い、結晶構造中の析することで明らかになった、「P S I I蛋白質環境が全てのアミノ酸残基、コファクター存在下で、 P D 1 /

PD1 / PD2 クロロフィルのエナジェティクスに与える影

PD2クロロフィル2量体上における正電荷およびスピン

響」について述べる。

分布を計算した。その結果として、PSII全原子存在下

2)mechanical/molecular

において、電荷分布比PD1•+ / PD2•+ = 77 / 23、スピン分

2. PSIIおよびPSI反応中心における実験的手法に

布比PD1 / PD2 = 81 / 19を得た10)。これらの値は、実験よるクロロフィルの正電荷分布測定的手法による測定値 3 , 4 ) と良い一致を見せた。 T .

PSIIにおける水分解反応は、反応中心に存在するク

vulcanus PSII のD1 / D2サブユニットのアミノ酸配列

ロロフィル P 6 8 0 における光励起・電荷分離反応には T. elongatus のそれと極めて近い。したがって、T.

よって開始される。電荷分離反応では電子がPheoから

elongatus PSII core における FTIR 解析で見られたQ へと流れていくのに対し、正電荷はクロロフィル

70-80%の正電荷5,6)の正体は、今回の計算結果から、上、特にP D1 /P D2のクロロフィル2量体上に分布する。

「P D 1 • + である」と結論づけるのが妥当である。過去

ENDOR測定によるとspinach PSIIでは（PD1, PD2を区別の文献 5) に指摘されているように、ここでも電荷分布はしていないが）PD1もしくはPD2のいずれかに82 %のはスピン分布に比べて（わずかではあるが）両クロ

スピンが局在化する 。後の Synechocystis 6803 PSII

ロフィル分子間全体により非局在化している様子が見coreにおける吸収スペクトルによる解析では、大部分て取れる。なお、私たちの計算では、PD1 / PD2クロロの正電荷はP D 1 側に存在することが示唆された 。以フィルを量子化学的に取り扱っている。従って、PSII

上の二つの解析結果を勘案すれば、PD1、PD2における内の全アミノ酸残基やクロロフィル等のコファクター

電荷（スピン）分布は、PD1•+/PD2•+ = ~80 / 20のようにのみならず、PD1, PD2の構造の影響（PD1 / PD2両クロロ帰属できるだろう （注；ここではスピンと電荷の分フィル分子間のビニル基、エチル基、フィトル鎖の配布は、ほぼ同義であると見なして良い）。F T I Rによ向の違いによる影響 2) ）も当然、電荷分布への寄与とる Thermosynechococcus elongatus の PSII core におけして計算に取り込まれている（詳細は文献10)参照）。

る解析でも同様にPD1もしくはPD2のいずれかに70-80%

PSII蛋白質環境を全て取り払い、PD1 / PD2 だけが存

3)

4)

4)

の正電荷がある、との結論が得られている （P680 /在する状態でQM / MM計算を行うと、電荷分布比P680のFTIRスペクトルに関しては文献 も参照）。

PD1•+ / PD2•+ = 57 / 43となり、PD1•+ の割合が大幅に減少

5)

+

6)

これに対し、PSIにおけるP700光励起後のスピン分

した10)。つまり、PSII蛋白質環境からの相互作用がな

布比は、PA/ PB = 15 / 85 ~ 25 / 75 (3, 7, 8)となっていい場では正電荷は両クロロフィルにかなり均等に分布る。FTIRでは、電荷分布比PA /PB = 33/ 67 ~ 50/50 とする。従って、（PD1•+ / PD2•+ = 77 / 23のように）非対

決定されている9)。

称的に分布させる原因は、PSII蛋白質環境にあること•+•+が実証された。具体的にPSII蛋白質のどの要素・部位
PD1 / PD2 に影響を与えるかを調べるため、私たち

3. PSII反応中心クロロフィル上の正電荷分布のが解析

は、D1 / D2 サブユニットとそこに埋め込まれたコ

P S I I と P S I の電子移動の様子は大きく異なるためファクターを残し、それ以外の原子をPSII蛋白質結晶（図1）、電子移動のエナジェティクスの違いを議論

構造から全て除去することで「D1/D2するためにも、正電荷のPD1 / PD2、PA / PB上での分布た。得られたD1/D2 PSIIに対してQM / MM計算を行っのエナジェティクスは明らかにすべきである。しかた。D1/D2 PSIIでは、PD1•+ / PD2•+ = 72 / 28、スピン分し、正電荷やスピンの分布比測定値そのものは以前

布比PD1 / PD2 = 76 / 24との結果を得た10)。依然としてから知られているものの、そのような分布比である理

電荷、スピン共に圧倒的にP D 1 側に局在化しているた

由や、蛋白質内の特定のアミノ酸残基やコファクター

め、電荷・スピンの非対称分布の根源はからの寄与を明示した論文は皆無であった。

蛋白質にあることは確定的である。

123

PSII」を作っD1/ D2

光合成研究21 (3) 2011

なお、D1 / D2 PSIIを作成するには、近接する対応するD 2側は、中性・塩基性アミノ酸残基であるサブユニットCP43やCP47も除去する必要がある。しことが多い。そういったアミノ酸ペアがPSII蛋白質内

かし、C P 4 3はM n 4 C a O 5 のO原子と近接するC P 4 3 -においてPD1•+ を（PD2•+ に対して）相対的に安定化さArg357やMn原子のリガンドとなるCP43-Glu354をもせることで、PD1•+ / PD2•+ = 77 / 23という分布比を生みつため、現実の系で C P 4 3 を取り除けば少なくとも出していることが私たちの解析により明らかとなっ

Mn4CaO5周辺の構造はintactなPSIIに比べて大きく変化た。特に大きな影響力を与えているペアとして以下のするのは間違いない。同時に、電荷のバランスも崩ものが挙げられる。D1-Asn181/D2-Arg180,

れたりバルク溶液への露出度も変化するのでMn4CaO5

Asn298/D2-Arg294, D1-Asp61/D2-His61。電位計算の結周辺の解離性アミノ酸残基のprotonation状態も大きく果、これらのアミノ酸はPD1、PD2両クロロフィルの変わるだろう。また、Y D （D2-Tyr160）は水素結合電位に40 mV以上も差を生じさせる原因となっていた

ネットワークを介してD 2 - A r g 2 9 4とつながっている

10)

が、このArgはさらにCP47-Glu364とsalt-bridgeを形成の様子が大きく変わることが知られている 1 2 ) 。 D 2 -し、サブユニット間をつなぐ相互作用の一助となってA rg 2 9 4変異体は光阻害を受けやすい 1 3 ) 。さらにD 1 -いる。CP47の除去は、Y D周辺の水素結合ネットワー

Asn298 / D2-Arg294はそれぞれYZ / YDと水素結合ネッ

クを乱すことになり、新たにバルク水に露出するこトワークを形成しており、Y Z とY D の電位差の一要因とになるD1 / D2蛋白質の表面構造は大きくリラックとなっている 14) 。またD1-Asp61は、水分解反応で放スする（ゆるむ）はずである。残念ながら、これに出されるプロトンH+の排出パスの一部である15,16)。以準じる蛋白質の結晶構造は現在のところ公開されてお上のようにこれらのアミノ酸はi n t a c tなP S I Iでの機らず、起こりうる構造変化の詳細は不明である。私た能、特に水分解反応との関連も深いことから、電荷

ちは、あくまでもintactなPSII内での相互作用を明ら

分布比PD1•+ / PD2•+ = 77 / 23は水分解可能なintactなPSII

かにすることに興味があるので、「D1 /D2 PSII」作において当然の帰結、と結論づけられる10)。

D1-。D2-Arg180変異体ではP680•+とQA–間の電荷再結合

成においても、intact PSIIと同じ原子座標・解離性残基のprotonation状態を用いた。また、現実の系ではサ

5. PSI反応中心クロロフィル上の正電荷分布

ブユニット除去に伴いMn4CaO5の構造も不安定になる

同様の解析をPSIのP700を構成する PA / PB クロロ

ことが予想される。一方、私たちはサブユニット除去

フィルについて行った。T. elongatus由来のPSI結晶構/ PD2•+ への影響が何より知造（分解能2.5 Å）17)の原子配置においてQM/MM計算

りたかったため、CP43-Glu354とCP43-Arg357のCβ炭を行ったところ、私たちは電荷分布比PA•+ / PB•+ = 28 /における電荷分布比PD1•+

素をメチル化してその側鎖部位を系に含めた（つまり72、スピン分布比PA / PB =22 / 78という結果を得た

Mn4CaO5配位子場環境はintact

18)

PSIIと同じである）。

。この結果はスピン分布比 PA / PB = 15 / 85 ~ 25 / 75に近いといえる。また、FTIRによる電荷分布比のD1, D2, cytochrome b559, PsbIのみで構成されるRC

3,7,8)

complexのFTIR測定では、PD1•+ / PD2•+ ≈ 50 / 50である

うちPA•+ / PB•+ = 33 / 67 9)に関しては今回得られた値にことがわかっている5,11)。おそらくRC complexでは上近い。PSIのP700におけるFTIR測定による電荷分布比

述したような変化により、本来のintactなPSIIと異なとEPR測定によるスピン分布比の差は、（いくつかのるPD1 / PD2 周辺環境を持つことが予想される。

文献で強調されているような）「食い違い」ではなく、「電荷分布はスピン分布よりも非局在化傾向に4.

ある」だけであり、本質的には同一の事象であるこ

PSII機能に重要といわれているD1/D2アミノ酸残基こそ非対称電荷分布の根源とが今回の計算結果から示唆される。

D1 / D2 蛋白質のアミノ酸配列は比較的よく似てい

PSIIではD1/D2アミノ酸ペアでP D1、P D2の電位差をるが、明らかにアミノ酸ペアの性質が異なる箇所が増大させるようなペアが複数存在した。これに対見受けられる。それらは、突き詰めればM n 4 C a O 5 がし、PSIでは、PAとPBの電位差 |Em(PA) – Em(PB)| を大

D1側に位置することに起因すると考えられる。D1側

きく生じさせるようなPsaA / PsaBアミノ酸ペアはほとでは金属性のMn4CaO5を保持するため負電荷を帯びたんど存在しない。Em(PA) > Em(PB)に最も寄与している

酸性アミノ酸残基が明らかに多く分布する。一方、ペアはArg-A750 / Ser-B734であるが、それでも17 mV

124

光合成研究21 (3) 2011

ることが可能である。さらに、 (ii) carbonyl酸素の方がester酸素より極性が高いため、P A •+の方が、P B •+よりも安定化効果を受けやすい。
もし、A–1A、A–1Bのmethyl-ester基がPSI蛋白質環境
内で自由に回転できるのなら、methyl-ester基の配向の違いに応じて異なった電荷分布比PA•+ / PB•+ のバリ
エーションがあってもよいはずである。その考えに基づいてA–1A、A–1Bのmethyl-ester基の配向を完全に反転させたコンフォメーションで計算を行うと、 A – 1 B のcarbonyl酸素近接効果によりP B •+がより安定化するので、電荷分布比PA•+ / PB•+ = 22 / 78、スピン分布比PA /PB = 15 / 85を得る18)。興味深いことに、このスピン分
布比は、T. elongatus PSIのPA / PB = 15 / 85 8)と（偶然かもしれないが）非常に近い。EPR測定によるスピン分布比に、PA/ PB = 15 / 85 ~ 25 / 75 3,7,8)のように幅が見られることは、種や測定条件の違いだけでなく、もしかしたらこのような PA / PB 近傍のコンフォメー
図2 （上）PSIにおけるクロロフィル2量体PA / PBに対するアクセサリークロロフィルA–1A、A–1Bの位置関係。（左下）A –1Aのmethyl-ester基とP Aとの位置関係。methyl-ester基のcarbonyl酸素とMg 2+との距離を太線で示す。また、ester酸
素とM g 2 + との距離を点線で示す。（右下）A – 1 B のm e t h y l ester基とPBとの位置関係。

ションがいくつか存在することに起因しているのかも程度である18)。

Saenger,しれない。なお、methyl-ester基のcarbonyl酸素とester
酸素との区別は、分解能 2.5 Å のこの構造では十分に可能であり、少なくとも結晶構造内ではこのコンフォメーションをとっていることは確実である（ W .
ofBerlin,personal

水は徐々に見えてくるので、もしかしたら未だ同定さ外にもアクセサリークロロフィル A – 1 A 、 A – 1 B （ 2 8

れていない結晶水が存在し、A–1A、A–1Bのmethyl-estermV）であった 18) 。さらに興味深いことに、これらの基の向きを指定しているのかもしれない。

アクセサリークロロフィルA–1A、A–1Bの存在はPAとPB

上述したように、PSIでは、PsaA / PsaB 両サブユの電位を下げる（＝P A •+ 、P B •+ を安定化させている）

ニット間において蛋白質の静電的性質に大きな差が要因であることも今回初めて示された。それについない。そのため、電荷分布比PA•+ / PB•+ は、静電場環て以下詳述する。

境よりも、クロロフィル分子への水素結合の有無やク

私たちの研究で初めて指摘した事実であるが18)、実

ロロフィル分子骨格といった、PA / PBクロロフィル分

はPSI結晶構造（分解能2.5 Å）17)では、クロロフィル

子の内部エネルギーに左右される。Thr-A743からP Aのmethyl-ester基の配向がA–1AとA–1Bにおいて真逆であへの水素結合は、水素結合の中でも決して強くはないる（図2）。A側においては、P AのMg 2+に対して、A –が、PAのエネルギーは影響を受ける。また、Chl a の

1Aのmethyl-ester基を構成するcarbonyl酸素がより近い

C 1 3 2 異性体であるP A は、（天然に多く存在するのは位置(5.4 Å)に存在し、ester酸素がより遠い位置(6.3 Å)

異性体ではない Chl a であることからも想像できるよに存在する。ところがB側では、PBのMg2+に対して、

うに）通常の Chl a と比べれば（大きくないものの）

A–1Bのmethyl-ester基を構成するcarbonyl酸素はより遠わずかにエネルギーは高いはずである。これを踏まい位置 (7.1 Å) に存在し、ester 酸素がより近い位置Å)

University

communication, 2011）。分解能 2.5 Å あたりから結晶

一方Em(PA) < Em(PB)に最も寄与しているペアは、意

(5.4

Free

えた上で改めてPSIIを見れば、非対称な電荷分布状態に存在する18)。つまり、(i) A–1A、A–1B のPD1•+ / PD2•+ = 77 / 23を作り出すPSII蛋白質の静電的性

methyl-ester基の極性酸素が、PA•+、PB•+上の正電荷を質は、D1とD2においていかに大きく異なっているか

安定させることができるため、P A とP B の電位を下げ

明らかであり、対照的である。PSI、PSII両蛋白質の125

光合成研究21 (3) 2011

電子移動経路との関連からも、上述の点は今後更にに「一つの計算手法でオールマイティなものはない」

考慮すべき特徴なのかもしれない。

ということも含まれる。上記 (2) に関しては、検証作業の重要性が挙げられる。重要な検証作業の一つと

6. おわりに「計算」「実験」「机上の空論」

して、私たちはかなりの時間を蛋白質構造を見ること

多くの蛋白質研究にとって、蛋白質の立体構造は重だけに費やす。大変シンプルで当たり前な作業ではあ要である。たいていの場合は、構造を「眺める」、

るが、「得られた計算結果は必ず構造から説明できせいぜい「原子間距離を測る」ことで十分である。

る」必要があり、「予期せぬ計算結果」が得られてい一方、原子間の相互作用は、系に原子が2個以上存在る場合は、たいてい計算過程に何らかの問題（入力すれば必ず存在する。そして、原子間相互作用は、原ミス、あるいは適用した手法の不適切さ等）がある

子種や原子の相互配置（座標）が決まれば、物理・場合が多い。

化学の法則により一義的に決まるはずである。それ

しかし、「予期せぬ計算結果」が出ても正しい場が成り立たないのなら、たとえば、高校や大学教養合もある（注；ミスを一切していないという前提におの授業で物理・化学の法則を習うことは無意味にいて）。人間の感覚は概して主観的なものである。蛋なってしまう。

白質の立体構造を眺める際も、既存の論文で（根拠つまり、蛋白質立体構造の適切な原子座標が得られが弱くても）主張されている説があれば、ついそれをれば、本来そこにはすでに「蛋白質内における原念頭に置いて見てしまいがちである。その点、計算子、アミノ酸残基、コファクター間の相互作用」が的手法を立体構造に適用すれば、主観の陰に隠れてし存在していることになる。（あまりに不安定な力が存まうような相互作用でも、客観的に、システマティッ

在しているのなら、そもそも蛋白質はその形で結晶化

クに考慮される。「予期せぬ計算結果」に疑いを持しない。）私たちの理論化学的手法では、単に、

ちつつも改めて構造を眺めると、確かに構造はそう

個々の計算手法の長所・短所（適応範囲）を見極語っており、己の主観とはいかに危険であるか、再め、適切に運用して「蛋白質」の物理化学的性質に関認識させられる。また、そういった場合こそ大きなするデータを得ているに過ぎない。従って、計算に発見であることがしばしばである。たとえば、今回よって得られたデータは、純粋に蛋白質結晶構造に基

PSIの解析結果として、A –1A、A –1BがP A、P Bの電位をづいているものであり、また、その結果はあくまで下げ、さらにmethyl-esterの配向が対称的でないことに「利用した結晶構造」の性質を反映しているものであよりその影響力が異なっていたことを報告した。P S Iる。たとえば、結晶構造の信頼性が低く明らかに原の結晶構造17)が2001年に発表されてからすでに10年た子の置き方にミスがある場合は、得られた計算結果

つが、いったいこの間何人がこの事実を指摘して実際もおかしな結果を示すことが多い。計算結果は何らに研究を行ったであろうか。いきなりこの計算結果

マジックやスペキュレーション、妄想ではなく、あくを持ち出せばにわかに信じがたいことかもしれないまで利用している構造情報を反映しているものだといが、構造を改めて見れば誰でも納得できる極めて単うことを強調しておきたい。

純なことである。このように私たちは「計算を通して

蛋白質立体構造に基づいた理論化学的手法による研構造をさらに解釈する」姿勢で研究を進めていきた

究の現実は、「対象に応じて適切な手法を選択し組い。このような、単純ではあるが誰も指摘できな

み合わせて研究を進めていく実験的研究」と全く同かった小さな「コロンブスの卵」を積み重ねていく

じプロセスである。計算結果が「机上の空論」とことこそ、サイエンスには大切だと私たちは考える。

なってしまう場合とは、(1) 適応範囲を超えた計算手

先入観を持たずにサイエンスをしていかなくては、と法の運用をした場合、(2) 得られた結果の解釈の不適自戒してやまない。

切さ、である場合がほとんどである。ここで、「計謝辞

算手法」を「実験手法」に置き換えて考えてみれば、実験研究においても同様に当てはまること、と理解

第 2 回日本光合成学会公開シンポジウムでの講演していただけると思う。上記 (1) には、「一つの実験（2011年6月3日）の機会を与えてくださいました野口

的手法で全てが解き明かされるわけではない」よう

巧先生（名古屋大学）、池内昌彦先生（東京大学）

126

光合成研究に感謝いたします。

21 (3) 2011

(2001) Orientation and electronic structure of the
primary donor radical cation P700+ in Photosystem I: asingle crystals EPR and ENDOR study, J. Phys. Chem
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Received October 25, 2011, Accepted October 28, 2011,
Published December 31, 2011

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Cationic State Distribution Over The P680 Chlorophyll Pair in Photosystem II
Hiroshi Ishikita1,2,*, Keisuke Saito1
1Career-Path Promotion Unit for Young Life Scientists, Kyoto University
2
JST, PRESTO

127

光合成研究21 (3) 2011

解説
光合成系での光捕集過程を構造に立脚して理解する‡
東北大学 理学研究科 化学専攻
柴田 穣*
1. はじめにめてきた。この仮説を検証するには、結晶構造中の沈らの光化学系 I I のＸ線結晶構造解析 は分解能

どのChl分子がそれらに対応するかを知ることは重要

1 . 9Åを実現し、まさに分子レベルの反応機構の解明である。こうして結局、各Chl分子の吸収波長をなんにつながると期待される。では、アンテナ色素系でとかして知らねばならない、という冒頭に述べた課題の光捕集過程を詳細な構造情報に立脚して理解出来るに行きつく。以上のような問題意識を持った研究にか、というとそう簡単ではない。それは、一つのタ

ついて、筆者らの最近の研究および関連するグループ

ンパク質複合体に数10個結合する各色素分子の吸収波の研究について、以下に解説する。

1)

長をいちいち決定する、という難題があるからであ

2. 光化学系Iの長波長クロロフィルを経由する光る。構造が分かっても、色素の吸収波長は分からな

捕集経路いのである。フェルスター機構によるエネルギー移動
では、短波長の色素から長波長の色素へのエネル

図 1に Thermosynechococcus elongatus 由来光化学系I

ギー移動がその逆よりも効率が高い。そのため、光の 5 K での吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルを示

合成系での光捕集に理想的なのは、電荷分離を起こす。青線で示す吸収スペクトルには、680 nm付近のメ

すPrimary Donorを中心としてそこから離れるにつれて

インバンドに加えて、red-most Chl（以下、Red Chl）

吸収波長が短くなるような色素の配置であるはずと呼ばれる極端に長波長シフトしたクロロフィルの吸だ。いわゆるロート型のエネルギー配置である。こ

収バンドが長波長側の裾部分、700〜730 nmの領域にのような理想的な配置は実際の光合成系で実現されて見られる。吸収スペクトルの面積比から、光化学系 Iいるのか？実際に非常に高い効率で光捕集が行われてに結合するChlのうち約一割はRed Chlが占めているといることは、理想的配置が実現されている間接的な証見積もられている 4-6) 。P700あたり96個のクロロフィ

拠にも思える。しかし、光化学系Ｉでは、 P r i m a r yルが結合しているので、そのうち7〜11個程度がR e dDonorよりも長波長に吸収ピークを持つ長波長クロロ
フィル（C h l）があることが古くからよく知られており、ロート型のエネルギー配置にはなっていない 2) 。
光化学系I Iでは、光化学系Iほど顕著に長波長シフト
したChlは存在しないが、それでも極低温での蛍光ス
ペクトルの測定から同様に Primary Donor よりも若干長波長にシフトした色素があることが分かっている
3)。これらの長波長Chlは、効率的な光捕集に対して建設的な寄与はないように思われる。では、長波長Chlにはいったいどのような生理的な機能があるのか？こ

図1 T. elongatus由来の光化学系Iの吸収スペクトル（青線：
5 K、緑線：室温）。
5 Kの吸収スペクトルには、Red Chlの寄与部分を赤く塗りつぶして強調している。

の問への明確な答は未だ得られていないが、筆者らは光エネルギーの利用効率を調節する非光化学消光（N P Q）との関連があるとの仮説のもと、研究を進‡

解説特集「光合成の光エネルギー変換メカニズム ―物理学的手法によるアプローチ―」* 連絡先 E-mail: shibata@m.tohoku.ac.jp128光合成研究21 (3) 2011

Chlを構成していると考えられている。Red Chlの蛍光るなら、Red Chl が非光化学消光に関与する、という

波長は720-750 nm程度である。吸収スペクトルの強度説にも説得力を与えるだろう。一方後者のようにRedは色素の数に比例するが、蛍光スペクトルの強度はChl が Primary Donor から離れた場所に位置するな

長波長の色素からの寄与がボルツマン分布に比例してら、Red Chl をいったん経由する光捕集の経路は主要大きくなる。低温になればこの傾向は強められるたな経路にはならないため、Red Chl が非光化学消光にめ、100 K以下の極低温では光化学系Iの蛍光スペクト

寄与するとしてもその効率は高くならない。

ルはほとんどRed Chlからの寄与に占められる。

Red Chl 経由の光捕集が主要経路となっているの

Red Chl は PS I での非光化学消光に関係があるだろか、との問いに答えるため、筆者らは世界で初めてう、という推論はいくつか報告されているが 、未だ15 Kという極低温においてフェムト秒時間分解蛍光測に明快な答は得られていない。96 個の Chl のうち、定を行った 2) 。この研究で着目するのは、励起後どれ

どれが Red Chl であるかが分からない、という状況がくらいの時間を経て Red Chl からの蛍光が見えてくる明快な答を得ることを難しくしている。筆者は、Redのか、であった。従来のピコ秒の時間分解蛍光測定

Chl は Primary Donor の近くにあるのか、遠くにある

では、励起後10〜30 ps後にRed Chlからの蛍光が観測のか、という疑問に答えることが重要であると考えされる、と報告されていた 8) 。この速度は、光合成タた。もし前者が正解で Red Chl が Primary Donor の近ンパク質内部での光捕集過程の中ではそれほど高速な傍に位置すれば、多くのアンテナ Chl からの励起エ

ものではない。本当にRed Chlへのエネルギー移動にネルギーが最初に Red Chl に渡りその後Primary Donor

10〜30 psかかるのであれば、Red Chlへのエネルギーへと至る、という経路が最も高い頻度で実現される

移動は主要な光捕集経路ではなく、ほとんどの励起ことになる。Red Chl 経由の光捕集が主要な経路であエネルギーは直接 Primary Donor へ運ばれ残りの一部

7)が Red Chl へ運ばれる、ということになる。
我々のフェムト秒時間分解測定の結果を、図2に示す。それまでのピコ秒の時間分解能の測定結果からの予想に反して、Red Chlからの蛍光が見られる740 nm付近の蛍光は、1 ps 以下の極めて速い段階で立ち上がっているのが分かる。Red Chl からの蛍光の減衰も非常に高速で、減衰の時定数は約 6 ps であった。このような超高速の Red Chl 蛍光の立ち上がりと減衰は全く予想していなかったもので、現時点でも完全にその理由は分かっていない。この結果は、Red Chl へ非常に高効率に光エネルギーが集まってくることを明確に示しており、Red Chl 経由の光捕集が主要経路であることの証拠となっている。なお、励起光強度が強い場合に超高速の消光を引き起こすS i n g l e t - S i n g l e t
Annihilationという現象が知られるが、蛍光減衰速度に励起光強度依存性がないことからS i n g l e t - S i n g l e t
Annihilation が Red Chl 蛍光の超高速減衰に寄与していないことは確認している。以上の結果は、従来のピ
コ秒の時間分解測定の結果と矛盾している訳ではな
く、我々の観測でも 30 ps 程度の Red Chl 蛍光の立ち上がりの成分も同時に見えている。すなわち、高い時間分解能の測定を行ったことで、これまで見えていな

図2 T. elongatus由来の光化学系Iの15 Kでの蛍光減衰。
青丸が実験データで、赤い実線は複数の指数関数の和によるフィッティングである。

かった速い過程が見えてきたということである。
以上の我々の観測結果をまとめて模式的に表した

129

光合成研究21 (3) 2011とを示唆している。他の二つの Red Chl を経由する光捕集経路は主要な経路ではなく、P 7 0 0からは離れて存在していると考えられる。

3. 光化学系IIの長波長クロロフィル
光化学系IIにも、系Iほど顕著ではないがRed Chlと呼べる色素が存在する3)。図4に T. vulcanus 由来光化学系IIの蛍光スペクトルの温度依存性を示す。77 Kで685 nmと695 nm付近に二つの蛍光のピークが見られるが、これはどちらもPrimary

Donorよりも長波長のアンテナChlからの蛍光である。さらに温度を下げると、685 nm付近の蛍光のピークが強くなりメインバンドとなる。光化学系Iの場合には、77 K以下の温度で
図 3 光化学系 I のアンテナ色素のエネルギー配置の模式
図。
3種類のRed Chlがあり、そのうちの一つは6.1 psという超高速でP700+へ励起エネルギーを渡す。このRed Chlを経由するのが主要な光補修経路と考えられる。

蛍光ピークがシフトすることはなく、図 4に見られるのが、図3である。上でも述べたが、光化学系Iに結合なる温度降下により再び短波長シフトするのは一見する96個の Chl のうち Red Chl を構成するのは7〜10

奇妙である。

短波長シフトは系 I I の特徴である。低温で長波長のChlからの蛍光が強くなるのは、低温でのボルツマン分布に従う結果であると上で述べた。しかし、温度降下とともに蛍光波長が長波長シフトしたあと、更個である。Red Chl の長波長シフトは、色素同士が近図4に見られるような光化学系I Iの蛍光スペクトル接しているため強く励起子相互作用している結果であの温度依存性は、図5に示したスキームのように吸収ると考えられている。つまり、一つの Red Chl は少な

ピークが若干異なる2種類の長波長C h l、C h l 6 9 5とくとも2つの接近したChlのペアで構成されると考えら

C h l 6 8 5 の存在を仮定することで定性的に説明できれている。一つの Red Chl 当たり Chl が2個であるとる。どちらの長波長 C h l でも、低温になるとエネル

考えると、光化学系Iには Red Chl が3〜5個存在する

ギーギャップを超えるための熱揺らぎが抑えられるこことになる。我々の観測からは、蛍光減衰時間の異とにより Primary Donor へのエネルギー移動が起こらなる3種類の Red Chl が確認された。それぞれ、蛍光なくなり、蛍光が強く出るようになる。より長波長

減衰時間が 6.1 ps、140 ps、360 ps である。このうちにシフトした Chl695 から Primary Donor へのエネル

6.1 ps の蛍光減衰時間を持つ Red Chl は、我々のフェギー移動がまず 77 K で抑制されて蛍光が強くなり、ムト秒測定で初めて明らかにあったものである。

さらなる温度降下により Chl685 から Primary Donor

我々の実験条件では、Red Chl の蛍光減衰はスペシャ
ルペアP700のカチオンP700+へのエネルギー移動で起こっている。つまり、測定された Red Chl の蛍光減衰
速度は、P 7 0 0との距離の指標となる。したがって、
6.1 ps の超高速で減衰する Red Chl はスペシャルペアに極めて近い位置に存在することになる。最初に挙げた問い、Red Chl は Primary Donor に近いのか、遠いのか？であるが、いくつかある Red Chl のうちの一
つは Primary Donor の極めて近くに存在することが明らかとなった。このことは、アンテナ色素で集めら

図4 T. elongatus由来の光化学系IIの吸収スペクトル（クロ
実線：5 K）と蛍光スペクトル（赤；180 K、オレンジ：77
K、青：5 K）。

れる励起エネルギーの大部分はいったんこの Red Chlに集められ、その後 P700 へと渡っている、というこ

130

光合成研究21 (3) 2011

は、クロロフィルのカチオンである。Chl+は800 nmに幅の広い吸収スペクトルを持ち、長波長Chlからのエ
ネルギーアクセプターとなり得る。いったん C h l + へ
渡った励起エネルギーは、速やかに熱エネルギーとして緩和するため効率的な消光分子として働くであろう。カロテノイドのカチオンも900 nmに吸収ピークを持つことが知られ、Chlカチオンと同様に過渡的な消光分子として働く可能性がある。
実際、光化学系IIではChlZと呼ばれるChl分子やカ
ロテノイドがカチオンとなることが知られている 9 ) 。
このようなカチオンが蓄積した状態で、蛍光減衰が速くなっているとの報告もあり、実際に過渡的に生成されるカチオン分子が消光分子として働くことも示されている10) 。光化学系Iでは、P700のカチオンが同様に消光分子として働く可能性がある。ストレス下で

図 5 光化学系 I I のアンテナ色素のエネルギー配置の模式
図。
2種類の長波長Chl、Chl685とChl695がある。Chl685を経由す
るのが主要な光補修経路と考えられる。

P 7 0 0への電子の供給が止まってP 7 0 0 + が蓄積した時に、速やかに励起エネルギーを消光することができる。P700 +の蓄積で、高効率に消光が起こることは筆者らの研究で示されていることである。

へのエネルギー移動も抑制されて 685 nm の蛍光が強くなる。ここで、光捕集の主要な経路は Chl685 を経

以上のような仮説を検証するには、長波長Chlが結由するものでなければならない。もし光捕集の主要晶構造に見られるChlのどれに対応するのかを明らか

経路が Chl695 を経由するものであれば、77 K よりもにすることが重要である。光化学系IIでChlZカチオン

低温でも励起エネルギーは C h l 6 8 5 より励起エネル

が消光分子となるとして、本当に長波長ChlがChlZの

ギーの低いChl695に集まることになり、685

近くに位置することが示されれば、より説得力のあnmの蛍るモデルとなるだろう。以下の最終節では、結晶構光が強くなることが説明できない。

4.

造中の全Chl分子の吸収波長を決定することを目指し

仮説：長波長Chlは励起エネルギー調節弁とた最近の研究について概説する。

して働く

冒頭にも述べたが、Primary

5. 各Chlの吸収波長決定への試み

Donorよりも長波長の色素の存在は効率的な光捕集に建設的な寄与はない

これまで、各クロロフィル分子の吸収波長決定はと考えられる。ではいったいなぜ存在するのか。筆

長らく解くことの難しい問題であった。タンパク質中者の考えは、励起エネルギーの調節弁として働いていに結合する色素の吸収スペクトルのピーク位置は、一るのではないか、というものである。以下、推論の般に真空中に浮いている色素の吸収波長とずれてい域を超えないことを承知の上で、上記の仮説についてる。これは、色素の周りのタンパク質アミノ酸残基と議論する。

の相互作用のためである。タンパク質内部の環境下で室温であっても、励起エネルギーの低い長波長Chlの光吸収エネルギーのことは、“その場所での”というには相対的に励起エネルギーが集中することにな

意味でon-site energyという用語で呼ばれている。ここる。そこで、強光や乾燥などのストレス下で光化学反では以下、サイトエネルギーという。以上のことを式応を止めたい時に、長波長 C h l の近傍に励起エネル

で表すと、ギーを消光する分子を過渡的に生成することが出来
れば、長波長Chlがない場合と比較してはるかに効率となる。ここで、のよい光化学系全体の励起エネルギー消光が実現でれぞれサイトエネルギー、真空中での励起状態のエネきることになる。過渡的な消光分子として有力なの

ルギー、タンパク質の寄与によるシフト、である。タ

131

、

、

はそ

光合成研究21 (3) 2011

ンパク質の構造が原子レベルで決定されても、サイト

2005年から2006年にかけて相次いで、PS II の Primary

エネルギーを決定するにはアミノ酸残基の影響を正Donor がアクセサリー Chl であることを示す報告が、しく考慮した量子化学的手法により励起状態エネル

実験サイド11,12)および理論サイド13)の両方から出されギーを解かなければならない。これは現時点でも非た。Grootらは、フェムト秒の時間分解赤外吸収測定

常に困難な問題であり、したがってサイトエネルギー

により、Holzwarthらは 540 nm のフェオフィチン Qx

を構造情報だけから予想するのは現実的にはかなりに由来する小さな吸収バンドの精密測定により、ど困難である。

ちらもフェオフィチンのアニオンが 1 ps 以内の短時

光合成タンパク質のように、一つのタンパク質分間に生成することを示し、そのことからアクセサリー

子の中に多くの色素分子が密集しているような場合、

Chl が Primary Donor であるとした。一方 Raszewskiら

さらに色素分子間の励起子相互作用の効果を考慮しは、極低温での吸収スペクトル、光誘起電荷分離によなければ見かけの吸収波長を説明できない。例える差スペクトル、電荷再結合後の三重項状態との差ス

ば、紅色光合成細菌の反応中心（R C）の吸収スペク

ペクトル、直線偏光異方性（L D）スペクトルを全てトルにはよく知られるように近赤外領域に３つのバ

矛盾なく再現できるようなサイトエネルギーの組合

ンドがある。860 nm、800 nｍ、780 nmにピークを持せを数値的に求めるようにして、8つの色素全てのサ

つものはそれぞれ、スペシャルペア、アクセサリー

イトエネルギーを決定した。その結果、やはりアクBChl、Bpheoが“主に寄与する”バンドであると帰属さ

セサリー Chl が Primary Donor であるという結論に達れている。スペシャルペアは近接する2分子のBChlでしている。

構成され、2分子の間には励起子相互作用と呼ばれる以上の成果により、PS II の光反応初期過程の理解

電気的な相互作用が強く働く。サイトエネルギーのは大きく進んだ。Raszewskiらの理論的な研究では、

定義は、“励起子相互作用がない場合のタンパク質のPrimary Donor 以外の反応中心標品に含まれる8つの色影響による吸収波長”であり、見かけの吸収スペクト

素全てについてサイトエネルギーの決定がなされた。

ルのピークとは若干異なる。実際の吸収スペクトルの

しかし、PS II コア複合体に含まれる37個の色素分子

ピークエネルギーは、形式的には以下の式で表されのうち、反応中心以外のサブユニットに結合する光捕る。

集を担う多数のChlのサイトエネルギーはこの時点では解明されていなかった。前節までに述べた“長波長すなわち、光合成タンパク質の吸収スペクトルのピー

Chlが光捕集の調節弁である”という仮説の検証のため）かには、反応中心を取り囲む CP43、CP47 というアン）によりシフテナサブユニットに結合するC h lのサイトエネルギー

トし、さらに色素分子間の励起子相互作用によりシの決定が必要である。こうした中、R a s z e w s k iらはフトする。紅色細菌R Cにおけるスペシャルペアは、

2008年に PS II コア複合体に含まれる37個の全色素の最も強く励起子相互作用する色素ペアであり、そのサイトエネルギーを決定した、と報告した14)。彼らはために最も長波長へシフトした吸収メインピーク位

それまでに、緑色硫黄細菌のアンテナタンパク質であ置を示すのである。

るFMOについて、結合する8つのBChlのサイトエネル

クエネルギーは、真空中の色素のもの（
らタンパク質との相互作用（

PS II の反応中心と呼ばれる標品は、バクテリオク

ギーを決定するという研究を行っていた15)が、その研ロロフィルとクロロフィルの違いはあるにしても非常究でのノウハウをPS IIのアンテナタンパク質に結合すに紅色細菌の反応中心に似た色素の組成となっているChlのサイトエネルギー決定にも応用している。PSる。色素の配置だけに着目すれば、構造もよく似てIIのコアアンテナ、CP43、CP47については、単離さいる。しかし、Primary Donor がどの色素であるか、れた標品でのいろいろな温度での吸収、蛍光スペクという基本的なことも最近まで PS II ではよく分って

トル、CDスペクトルやLDスペクトルが報告されていいなかった。これは、PS II では各色素の吸収バンド

る。Raszewskiらは、これらの複数の光学スペクトルはほぼ同じ波長で重なっており、3つの吸収バンドにが全て矛盾なく再現できるようなサイトエネルギー

分かれる紅色細菌のＲＣの場合ほど簡単に各色素分の組合せを遺伝的アルゴリズムと呼ばれる手法によ子の吸収波長の帰属が出来なかったからである。

り決定した。遺伝的アルゴリズムとは、まず各Chlの132

光合成研究21 (3) 2011

サイトエネルギーにランダムに選んだ10種類程度の組計算結果に基づいている。筆者らは、フェムト秒の時

合せを割り当て、それぞれの組合せについて光学スペ

間分解蛍光測定の結果から Red Chl の候補を提案してクトルを計算する。その中で実験結果に近い上位3ついる。当然、自分の提案する候補が実験結果に基づの組合せを選び、そこからさらにランダムに微小変化

いているので最も信頼性が高いと考えているが、まだを加えたものを再度 1 0 種程度割り当て、それぞれに

まだ断言できる状況ではない。Chl周囲のタンパク質

ついて光学スペクトルの計算をして実験結果と比較す

環境を適切に考慮した量子化学計算により、励起状る。このようなサイクルを繰り返して、最終的に実験態のエネルギーが精度高く計算できるようになれ

結果に合うサイトエネルギーを得る。

ば、もっと信頼性の高い光化学系 I のサイトエネル

彼らの論文を最初に読んだ時筆者は、遺伝的アル

ギー決定に至るかもしれない。

ゴリズムという任意性の残る手法を使っているにも関

謝辞

わらず、決定されたCP43、CP47のサイトエネルギー

名古屋大学理学研究科物質理学専攻

が実験データを非常にうまく再現しているのに驚い野口巧教授

た。CP43、CP47の吸収、蛍光スペクトルだけでなくには、本誌へ出版する機会を与えていただきまし

LDやCDスペクトルも広い温度範囲で実験と合っていた。岡山大学自然科学研究科の沈建仁教授、大阪市る。彼らの決定したサイトエネルギーが正しいとする立大学複合先端研究機構と、図5に示した二つの長波長 Chl、Chl695 は CP47

学系II標品を提供いただきました。その他、名古屋大）に対応する

学理学研究科光生体エネルギー研究室に在籍されたこととなる。 C h l 2 9 の近くにはカロテノイドが位置

方々の努力があり、本研究成果を挙げることができし、また光化学系IIのダイマー内ではChlZとの距離もました。これらの方々に対して、ここに感謝の意を表近くにある。前節に説明した仮説に矛盾しない結果します。

に結合する29番のChl（Lollらの命名

16)

川上恵典博士には、光化であると言える。
以上のように決定されたC P 4 3、C P 4 7に結合する

Received November 10, 2011, Accepted November 11,

Chlのサイトエネルギーであるが、これらは吸収やCD

2011, Published December 31, 2011などの定常的な光学スペクトルを再現できただけにすぎず、必ずしもその信頼性が高い訳ではない。そこ
で、決定されたサイトエネルギーで蛍光スペクトルの

参考文献

時間変化をシミュレーションし、それが実験と合っ

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ているかを検証することは決定されたサイトエネル
ギーの信頼性を評価する上で非常に重要となる。時間分解蛍光スペクトルのシミュレーション結果の詳細については、現在筆者が執筆中の論文に譲るが、概ねよい一致を示しているとだけここでは述べておく。
さて、光化学系IのC h lのサイトエネルギーであるが、その決定には未だ大きな研究の進展はない。光
化学系IIの場合と同様に遺伝的アルゴリズムを用いた
サイトエネルギーの決定の報告はあるが17)、96個もの多数のChlを結合しているため信頼性の高い結果は期待できない。Red Chl の同定も、これまで多くの Red
Chl 候補の報告はあるがどれも決定的とは言えない。
これまでに報告された Red Chl の候補の多くは、強い励起子相互作用による大きな長波長シフトが期待されるChlの2量体や3量体であり、ほとんどは理論的な133

光合成研究21 (3) 2011

5.! Rätsep, M.; Johnson, T. W.; Chitnis, P. R.; Small, G. J.
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Toward Structure-Based Understanding of Light-Harvesting Dynamics
in Photosynthesis Antenna Apparatuses
Yutaka Shibata*
Department of Chemistry, Graduate School of Science, Tohoku University134

光合成研究21 (3) 2011

報告記事
若手の会活動報告〜第五回セミナー開催、サイエンスアゴラ2011〜第五回セミナー開催、サイエンスアゴラ
2011出展、新幹事〜
東京大学 大学院総合文化研究科
成川礼

10月22−23日にかけて、若手の会第五回セミナー『新しい光合成研究の開拓』を東京大学本郷キャンパスにて開催し、35名近くの参加がありました。初日は参加者全員の自己・研究紹介と「太栄館」での懇親会を行いました。初日の夕方と二日目には、理論研究、人工光合成など様々な分野での先端研究に焦点を当てたセミナーを行いました。詳細は、野地智康さん（名古屋工業大学）にご執筆いただいた参加報告記事をご覧ください。これまで、若手の会は研究者コミュニティにおける研究交流活性化に努めてきました。セミナーも五回目を迎え、MLなどを介した研究交流も活発であり、若手の会設立の第一目標は達したといえます。光合成の研究分野をさらに発展していくには、コミュニティ内部の活性化に留まらず、アウトリーチ活動を介した一般社会との対話的交流が必要であると考えています。そこで、若手の会が次の段階へと移行するきっかけとして、サイエンスアゴラ2011に若手の会として出展しました。その報告記事も掲載されていますので、あわせてご覧下さい。また、若手の会
設立当初より幹事としてご活躍いただいた原田二朗さん（久留米大学）と鈴木博行さん（元東京理科大学）が、6月と10月にそれぞれ幹事を辞退され、後任として、浅井智広さん（名古屋大学、6月〜）、辻敬典さん（筑波大学、10月〜）、川上恵典さん（大阪市立大学、10月〜）が新たに参画することになりました。

セミナーの集合写真

135

光合成研究21 (3) 2011

報告記事
光合成学会若手の会第五回セミナーに参加して名古屋工業大学
野地

智康

第5回光合成学会若手の会が東京大学本郷キャンパの乾燥耐性が失われる事から、消光因子が菌類にスで、10月22-23日に行われました。この会の事は、よってもたらされる、という事を発表されました。地

以前から聞いていたのですが、参加したのは初めて

衣類の水抽出成分分析と分光学的解析から、菌類のでした。会は参加者全員の自己紹介と研究紹介から代謝産物であるアラビトールが乾燥誘導性の光阻害始まりました。発表時間は選べたので、自由な発想

防御機構を促進している事をご報告されました。このでユニークな発表ができ、笑う場面も多数ありまし発表の中で、地衣類の個々の独特な外形が光捕集にた。特に、通常の学会とは異なり、普段聞けないよ

ついて有利かどうかについての議論があり、共生する

うな裏話まで含めた発表にはユーモアがあり、和や事で固有の形状を取るならば、また新しい研究につかな雰囲気で研究紹介を聞け、自分の専門分野以外ながるのではないかと、個人的に関心を持ちましの研究にも興味を持つ事ができました。各個人のた。

個々の形式で研究発表ができたこともあり、個人の1日目のプログラムが終了した後、懇親会の会場に研究に対する熱心さや、興味の対象などがわかりま

向かいました。懇親会と宿が同じ場所であったのした。

で、好きなだけ談笑できました。これも、若手の会の

約 3 5 名の参加者それぞれの研究はどれも異なり、魅力だと思います。

光合成の研究が非常に多岐に渡っている事がわかり

2日目は斉藤圭亮博士の発表「光合成の理論研究ました。若手の会は他分野の専門家が集ういい機会の実際〜蛋白質構造に基づいた計算によってわかるこであると思い知らされました。これらの研究紹介をと〜」から始まりました。光化学系Iと光化学系I Iの通して、私自身の研究方法も見直しが必要であると痛反応中心の中心クロロフィル二量体の正電荷分布の起感させられたり、あるいは、新しい研究テーマ、技源について、理論的な解析を分かりやすく発表されま術、知識から、自分の研究に活かせないかと考えなした。色素同士の相互作用、および周辺アミノ酸残がら発表を聞け、楽しむ事ができました。中でも、基との相互作用を使って制御された反応中心のI と I I「なぜこうなったかよくわからない」といったデーの精巧さは、このような理論的解析から詳細に理解タを見せられたときの印象が強く、興味をそそられできるがわかりました。理論解析の強みを再認識さました。このような発表形式のため、聴衆側も刺激れられました。また、発表の最後のメッセージが印を受け、活発な議論ができたのだと思います。他に類象的で、「精度の高い実験結果の下に理論解析が可が無いこの会の重要性と魅力を強く感じました。ま能」という事と、斉藤博士の実験家への敬意から、た、自身の研究と向き合う良い機会だと思いますの

実験と理論の両方から光合成の研究は発展するだろで、学部生から博士課程の方々にこの会に積極的にうと期待できました。

参加されることを勧めます。
1日目の夕方から、最初の講演者、小杉

塚谷
真貴子博

士が「共生によって強化される乾燥耐性機構

祐介博士は「「門」レベルで新規な光合成

細菌 “Candidatus Chloracidobacterium thermophilum” の〜地衣

酸素耐性光化学系1型反応中心と光捕集アンテナ複合類研究の面白さについて〜」を発表されました。地体」についての発表をされました。この光合成細菌は

衣類は真菌と光合成生物の共生生物で、共生時のみ

イエローストーン国立公園(米国モンタナ州)の温泉微

光合成の乾燥耐性を獲得でき、単離してしまうと藻類

生物マットから発見されたもので、酸素飽和状態下

136

光合成研究21 (3) 2011

でも酸素に弱いはずの系I型反応中心をもつ新奇の生

常に有意義な時間を過ごせました。この場をお借り物である事を報告されました。反応中心の分光化学して、お礼を申し上げます。

的解析から、これまでの反応中心と少し異なり、最後の講演者は宮澤真一博士で「イネ独自の代「真のB 8 4 0」かもしれないという話しが印象的で、

謝酵素、葉緑体型PEPCの発見と機能解析」を発表さ非常に面白く、終始興味を持って聞けました。新しれました。PEPCは有機酸をクエン酸回路に供給するい事がわかったら是非聞いてみたいと思い、今後の酵素として、細胞質に存在する事が知られていました

研究が楽しみです。

が、葉緑体にもPEPCが存在している事が発見されま

私は「光化学系I, IIを利用した半人工光合成ナノデした。この「葉緑体型PEPC」が地上部のアンモニア

バイスの研究の問題と現状」ついて、発表しました。

同化に関与している事を究明されました。また、植物

実用的な人工光合成のために、現存の光化学系I、I Iの進化や高等植物の代謝に関して、全くの素人であっに要求される改善点と、現在の水素発生のための応た私でも理解できるような発表だったので、大変勉

用研究についての話をしました。光化学系I, IIを安定

強になりました。

に固定化させる新しい技術として、n mサイズの穴が以上、最後にこの場をお借りして、若手の会の会

空いているシリカ細孔内部に固定化する方法と金ナノ長、成川先生をはじめ若手の会のメンバー全員に、発粒子表面上に固定化する方法を報告しました。発表

表の機会と報告執筆の機会を与えて下さった事に感の後、多様なアドバイスを多くの研究者から頂き、非謝致します。

報告記事
サイエンスアゴラ2011
サイエンスアゴラ
2011報告書「光と植物の不思議—サイエンスカフェ—光合成研究の今と未来
光合成研究の今と未来——」を出展して」を出展して—1

自然科学研究機構 基礎生物学研究所
23

大阪府立大学 大学院 理学系研究科
4

1

大西

サイエンスアゴラへの参加・出展の背景

紀和、 浅井
2

名古屋大学 理学研究科

東京大学 大学院 総合文化研究科
智広、3岡島公司、4成川礼の国民へ向けての情報発信が不十分であったことも、理由の一つとして挙げられるであろう。

“（世界）2位じゃダメなんでしょうか？”
2 0 0 9年の事業仕分けにおけるこの発言は、研究と私たちの研究費は、多くの場合文部科学省や日本いうものに対する理解が、国を動かす国会議員にさ学術振興会、科学技術振興機構など国の機関から振えも十分に得られていないことを表しており、国会議

り分けられたものであり、従って元手はすべて国民が員が行政における国民の代表であることを考える

支払っている税金である。私たち研究者は、スポンと、 “ 国民からは研究について理解を得られていなサーである国民に対して私たちの行っている研究につい”と見ることもできる。理解が得られていないこと

いて説明をする義務があり、また国民の側には知るについては様々な理由が考えられるが、私たち研究者権利があるはずである。

137

光合成研究21 (3) 2011

そういった問題意識の中、私たち光合成学会若手

実験1：薄層クロマトグラフィによる光合成色素の分の会のメンバーは、去る11月18〜20日に日本科学未来離（担当：浅井智広）。色の異なるいくつかの光合館においてJST主催のもと開催された、“サイエンスア

成生物から色素を抽出・分離することで、光合成生

ゴラ2011”に出展者として参加した。サイエンスアゴ

物が様々な色素を持っていることを示した。

ラは、生命科学のみでなくあらゆる分野（宇宙科

実験2：水草からの酸素の泡の放出と二酸化炭素の吸学、エレクトロニクス、医療科学など）の科学者が収によるp H変化の可視化（担当：成川礼）。ブロモ

集まり、来場した一般の方々と研究の説明や対話をチモールブルーを含んだ水道水（青色、アルカリ性）

通してコミュニケーションを取り、サイエンスに関すは、呼気を吹き込むことで緑色（中性）を呈する。

る考えを共有したり深めたりすることを目的として開そこにオオカナダモを入れて、緑色光または赤色光をかれる。私たちは、専門知識を持っていない、ある

照射すると、赤色光を照射したサンプルで有意に青いは少ない人たちが“光合成の研究”をどの程度知って色に戻るのが確認できた。これにより、赤色光によいるのか、どういったイメージを持っているのかを知り光合成が行われ、二酸化炭素が吸収されたことをるべく、またそういった人たちに光合成の重要性も可視化した。

知ってもらうために出展し、セミナーと展示、簡単な実験を行った。

出展のコンセプトと実施内容
今回の出展は、来場者が抱いているであろう“光合成って何？”、“どんな研究をしているの？”、“なぜ植物には光が大切なの？”、“私たちの生活にどう結びつ

セミナーの様子

くの？ ” などの素朴な疑問を、研究者との対話や実験、資料を通して光合成研究に触れることで解決して

2）光による糖の合成

光合成の面白さや重要性を実感してもらえるよう行っ

光合成で獲得した化学エネルギーは“糖”という形で植た。一方で研究者側は、光合成研究に社会が何を求

物体内に蓄積されることについて、理解を深めてもめているかを理解し、光合成研究に対するイメージ

らった。

や意見を取り込んでいくことを念頭に置いた。
割り振られた 9 0 分の時間を二部に分け、まず第一

実験：葉で合成されたデンプンの染色による観察

部ではおよそ 3 0 分のセミナーを行い（担当：大西紀（担当：大西紀和）。光を当てた葉の抽出物をコー和）、光合成が私たちの命と生活を支えているこ

ヒーフィルターに写し取り、漂白した後にヨウ素液にと、地球環境の変遷に貢献してきたこと、光合成の仕より染色した。抽出物が写った箇所が青紫色に染色組み、これを利用した新エネルギー創出の試みなどされ、光合成により糖が合成・蓄積されたことを可について説明した。

視化した。

第二部では以下のようなテーマに従って実験・展示

3）光情報の感知

ブースを用意し、来場者に実験の体験等を通して光合光合成生物にとって、光はエネルギーであると同時に成研究に触れてもらった。

最重要な情報であることを知ってもらい、光を情報として利用するメカニズムについて解説した。

1）光の吸収による酸素の発生と二酸化炭素の吸収
光合成反応では、色素によって吸収した光エネルギー

実験：光合成タンパク質と光受容体に対する光照射実

を化学エネルギーに変換する。その反応過程で酸素

験（担当：成川礼）。光合成タンパク質と光受容体にを発生し、二酸化炭素を固定することを知ってもらっ

光を照射すると、前者は色が変わらなかったが、後た。

者は色が変わった。これにより、両者の性質と役割の違いを明確に提示した。
4）応用研究138

光合成研究21 (3) 2011

震災により、さらに期待が高まっている光合成によ当然のことではあるが、課題もいくつか明らかにるバイオマス生産や人工光合成の研究について、実際なった。最も大きな課題として残されたのは、光合成に行っている研究者が最新の研究を紹介した。（展や研究に関する言葉の使い方や説明の仕方ではない

示担当：岩井雅子）

かと思う。アンケートに答えて下さった方のうち、3分の1からは“言葉が難しかった”または“説明がやや難5）研究で扱っている光合成生物しかった ” という回答を頂いた。アウトリーチ活動

来場者に、顕微鏡によって光合成生物を実際に観察しは、決して専門家の“知識のお披露目の場”ではなく、てもらい、観察と研究者の解説を通じて、光合成生

専門知識の少ない人にも知ってもらう、理解してもら

物（光合成細菌、シアノバクテリア、真核藻類、地衣うことが重要だ。わかり易く解説したつもりでも、類、陸上植物）の多様性を知ってもらった。（展示

やはりまだ十分理解してもらうには至っておらず、今担当：岡島公司）。

後言葉の使い方を考えていく必要があることを認識さ

上記の実験、展示に加え、光合成について簡単に解説した小冊子を来場者に配布し、光合成と光合成研究に関する理解を深めてもらった。

左：実験の様子、右：漂白、染色後の様子せられた。しかしながら、一方では“光合成の奥の深さを感じた”などの回答もあり、光合成が重要である
ことや、かなり複雑なものであり、そう簡単に人工
左：実験全体の様子、右上：紅葉した葉をすりつぶしている様子、右下：分離の様子的に作れるものではない、というような大まかなイ
メージは掴んでもらえたようであった。また、“実験をもっとやってみたかった ” という声も多かったので、今回の経験を活かして次回は出展の方法や、時間

来場者の意識とアウトリーチ活動の課題

配分をより綿密に練る必要があるだろう。

当日は悪天候であったにも関わらず、30人を越える

私たち研究者の側にとって大きな収穫の一つは、来場者があった。そのうち 2 0 名ほどがアンケートに一般の方の光合成に対する意識を垣間見ることがで答えて下さったが、全員からイベントの内容に関して“非常に満足した”または“満足した”という回答を頂いた。“次回も期待している”との声も多く、初の試みにしてはおおむね成功であったと思われる。

光受容体に光を照射している様子

きたことであろう。来場者の中には、光合成に関する（研究者向けではなく）一般向けのセミナーやサイエンス・カフェが開催されるのを待っていた、といオオカナダモに緑色光と赤色光を照射している様子

139光合成研究21 (3) 2011

う方もいた。私たち研究者が思っている以上に光合らは、“光合成を簡単に楽しく子供たちにも伝えたい

成について興味を持っている人は多いようであり、

けど、説明するのがなかなか難しい ” との声も頂い

H Pに情報をアップしての情報発信だけでなく、一般

た。一般だけでなく、こういった方々を対象にセミ向けのセミナーなども必要であることを認識させら

ナー、あるいは勉強会を開いて、光合成について広くれた。理想的には、科学全般に言えることかもしれ

知ってもらうのも必要なのではないだろうか。子供む

ないが、光合成や光合成研究にいつでも誰でも触れけにやさしく解説した本を出版する、というのは、られる、あるいは楽しめるような環境を用意できれ究極的なアウトリーチの一つかもしれない。

ば、より一般の方と科学者の距離を縮めることがでアウトリーチの方法としても、私たち専門家は説明

きるのではないかと思う。

から入ろうとするが、実際には大して興味の無い人はその説明にすら耳は傾けない。興味を持ってもらう戦
略も、今後真剣に考えていく必要がある。他の展示
ブースについては少し見て回っただけであったが、参考になる展示が多くあった。親しみ易いイラストや写真を展示するのは定石といった感じで、模型を作る場合でもゴムボールを使ったりと、身近に感じられるような様々な工夫が見られた。逆に“最先端”を感じてもらうために、専門的な機械を置いているブースもあった。印象的だったのは、科学の面白さを伝える

顕微鏡による観察の様子には何か視覚的にインパクトのあるもの、美しいもの
でちょっとした感動を与えることが必要だ、と話してくださった出展者の方で、回せば月が満ち欠けするのが見える不思議な独楽を見せてくれた。確かに、私たちが科学者を目指した根底には、子供のころに、例えば夕焼けや虹がきれいだとか、どうしてアサ展示した光合成生物の様子（左：褐藻、シアノバクテリア、
地衣類、右：光合成細菌）

ガオは必ず朝に綺麗な花を咲かせるのだろうとか、
そういったものに感動して、それがどうやって起こっているのだろう？と不思議に思い、考えたことがあ他の出展者の方、すなわち“科学を広める立場にいるように思う。私たちが自分たちの研究に興味をるが光合成については専門知識が少ない人”の光合成持ってもらい、知ってもらうためには、“初心を思いに対する意識も知る事ができた。 1 9 日の夕刻に開か出す”ための発想の転換が必要であるように思う。

れた出展者交流会で知り合った他の展示ブースの方か

研究者側の意識改革が必要
アウトリーチ活動は研究者側にどんなメリットがあるのかについて、疑問に思われる方もいるかもしれない。研究に使う時間を抑えてまでアウトリーチに時間と労力を割いて、研究者側にどんなフィードバッ
クがあるのか？直接的な事としては、一般の人の生の声を聞くことで、光合成研究への具体的なニーズを知ることができ、研究の方向性を考える上で役立てることができる、ということが挙げられるだろう。場
合によっては専門的でない、固定観念に捕われない視点からの意見は、発想の転換や、時として大きな発見配布した小冊子をも導くかもしれない。また、専門知識の少ない人

140光合成研究21 (3) 2011と対話をしながら説明することで、自分の研究に対化して、若手の会H Pから無料でダウンロードできる

する理解、重要性の位置づけなどを再認識することようにすることを予定しており、アウトリーチ活動にができ、これまで以上に自分の中で消化し、次の研活用して頂きたい。今後もこのように、本会と連携し究につなげていくことも期待できる。あるいは、そてアウトリーチ活動を継続して行っていくことができういった論理的なことは考えずとも、“光合成研究にれば、光合成研究の将来的な発展につながるのでは期待している”という声を直接聞くことは、少なからないかと思う。

ず私たちの研究に対するモチベーションを上げてく謝辞れるはずだ。

今回の出展にあたっては、多くの方に支援して頂きま

最初に述べた説明義務の観点から考えれば、私たちの研究の重要性がきちんと世間一般に浸透していれした。この場を借りて厚く御礼申し上げます。

ば研究に対する不信感が生まれることはなく、研究後援：日本光合成学会

費削減の危機に晒される心配はない。かつては“研究・小冊子制作協力

者は何をやっているかよくわからないけど、研究だか

浅井（山田）歩（化学同人）、蘆田弘樹（奈良先端ら”というような理由で特別扱いされていたかもしれ

科学技術大学院大学）、岩井雅子（東京工業大学）

ないが、今は“研究者って何をしているの？”という目・写真・動画提供

が私たちにしっかりと向けられた状況になってきてい中山剛（筑波大学）、和田正三（九州大学）、野地る。従って、時間はかかったとしても私たちの研究の智康（名古屋工業大学）、今村壮輔（中央大学）、重要性を説明することは、今後ますます必要になっ広瀬侑（豊橋技術科学大学）
・実験器具提供てくるに違いない。
アウトリーチ活動を行ったとしても、それが論文や

高市真一（日本医科大学）、渡辺雄一郎（東京大

招待講演などのような業績として認められるシステム

学）、池内昌彦（東京大学）、福島佳優（名古屋大が十分整備されていないことは、大きな問題の一つで学）ある。上記のような観点からアウトリーチ活動の利・生物試料提供

点や重要性を十分に把握した上で、私たち研究者自小杉真貴子（国立極地研究所）、辻敬典（筑波大

身の意識も変えていくことは、後継者を育てる、あ学）、原田二朗（久留米大学）

るいは研究を発展させていくためには必須であると・資料提供考えられる。“日本が世界的に科学の発展に貢献して柏山祐一郎（立命館大学）、蘆田弘樹（奈良先端科いることを国会議員が理解していない”とか、“メディ学技術大学院大学）、野地智康（名古屋工業大学）

アで間違ったことが報道されている ” などと嘆く前・運営スタッフに、私たちがするべきことをしかるべき手段で、少し渡邉麻衣（東京大学）、原田二朗（久留米大学）、ずつでも実行していかなければならない時期が訪れて小杉真貴子（国立極地研究所）、岩井雅子（東京工いると感じている。

業大学）、辻敬典（筑波大学）、大島由衣（東京工今回実施したアンケート結果の詳細については、若業大学）、溝上祐介（東京大学）、田村洵也（東京手の会H Pに掲載を予定しているので、参考にして頂大学）、榎本元（東京大学）、吉野宏明（東京大きたい。また、本会からの援助により印刷した小冊

学）

子は、来場者の方々から好評を頂いた。小冊子はPDF

以上、敬称略（順不同）141光合成研究21 (3) 2011

事務局からのお知らせ
2011年6月4日総会において報告しました会員数の動向および承認を受けました決算です。

1. 会員数動向
入退会者数

2010年12月末日の会員数
個人会員

413(405)

賛助会員

8(8)

計

421(413)

入会

退会( )内は2009年12月末の会員数

個人会員
賛助会委員

44
0

計

44

個人会員
賛助会委員

36
0

計

36

2. 決算報告
収入の部

支出の部

年会費
第1回年会シンポジウム企業出展料（2社）
第1回年会シンポジウム余剰金
計¥1,104,500

会報印刷代（2009年12月号）¥302,557¥100,000

会報印刷代（2010年4月号）¥266,017¥57,685

会報印刷代（2010年8月号）¥416,283

会報発送代¥90,480

光合成研究法送料（東大＞京大）¥1,470

振込手数料¥5,775¥1,262,185

第1回年会シンポジウム収支決算
収入
支出
収支

第1回年会シンポジウム準備金
計
学会講演要旨集製本代
同振込手数料
余剰金を学会に返却
計¥100,000¥100,000¥42,000¥315¥57,685¥100,000￥0

振込書印字サービス代¥1,400

封筒印刷代¥26,775

プリンタラベル¥4,200

第１回年会シンポジウム準備金¥100,000

光合成学会若手の会補助金¥30,000

日本光生物学会平成22年度会費¥10,000

計¥1,254,957

2010年日本光合成学会収支決算
収入の部

合計

¥1,262,185

支出の部

合計

¥1,254,957

差額（次年度繰越金）￥7,228★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）あるいは銀行振込（ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290

名前：ニホンコウゴウセイガッカイ）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。

142光合成研究21 (3) 2011

★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、会費滞納者を名簿から削除するお願いをしました。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、会費未納が印字されています。ご都合のつくときに、会費を納入下さい。１年間会費を滞納された場合、次年度よりお名前が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したので、複数年度の会費滞納者はおられなくなりました。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。

143

光合成研究21 (3) 2011日本光合成学会会員入会申込書
平成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

月

日

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 (必要な方のみ記入）] FAX] E-mail

個人会員年会費!
! 1,500円! (会誌、研究会、ワークショップなどの案内を含む）
賛助法人会員年会費!
! 50,000円! (上記と会誌への広告料を含む）（振込予定日：平成年月日）（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
銀行振込の場合 ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290
名前：ニホンコウゴウセイガッカイ

144光合成研究21 (3) 2011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145

光合成研究21 (3) 2011

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。

146

光合成研究21 (3) 2011

幹事会名簿
秋本誠志＊!

神戸大学大学院理学研究科

園池公毅!

浅田浩二!

京都大学

高市真一!

池内昌彦!

東京大学大学院総合文化研究科

高橋裕一郎!

池上

勇!

帝京大学

田中

歩!

北海道大学低温科学研究所

泉井桂!

近畿大学生物理工学部生物工学科

田中

寛＊!

東京工業大学資源化学研究所

均＊!

立命館大学総合理工学院

伊藤

繁!

井上和仁!

早稲田大学教育学部
日本医科大学生物学教室
!

名古屋大学

民秋

神奈川大学理学部

都筑幹夫!

東京薬科大学生命科学部
名古屋工業大学大学院工学研究科
東京大学大学院理学系研究科

臼田秀明!

帝京大学医学部

出羽毅久＊!

榎並

勲!

東京理科大学

寺島一郎!

遠藤

剛＊!

京都大学大学院生命科学研究科

徳富(宮尾)光恵 !

大岡宏造!
大杉

大阪大学大学院理学研究科

立!

太田啓之!
!
大友征宇＊!

岡山大学大学院自然科学研究科

農業生物資源研究所
光合成研究チーム

東京大学大学院農学生命科学研究科

鞆

東京工業大学仲本達也!

東京理科大学理学部

バイオ研究基盤支援総合センター

永島賢治＊!

首都大学東京大学院理工学研究科

茨城大学理学部

南後

大阪市立大学大学院理学研究科

準＊ !
守!

埼玉大学大学院理工学研究科

大政謙次!

東京大学大学院農学生命科学研究科

西田生郎!

埼玉大学大学院理工学研究科

小川健一!

岡山県農林水産総合センター

西山佳孝!

埼玉大学大学院理工学研究科

生物科学研究所野口巧!

名古屋大学理学研究科

茨城大学工学部生体分子機能工学科

長谷俊治!

大阪大学蛋白質研究所

小俣達男!

名古屋大学大学院生命農学研究科

林

愛媛大学

垣谷俊昭!

名古屋大学

!

!
小野高明!

秀則!

無細胞生命科学工学研究センター

菓子野康浩＊!

兵庫県立大学理工学部

原登志彦!

北海道大学低温科学研究所

金井龍二!

埼玉大学

彦坂幸毅!

東北大学大学院生命科学研究科

神谷信夫＊ !

大阪市立大学大学院理学研究科

久堀徹!

東京工業大学資源化学研究所

熊崎茂一＊!

京都大学大学院理学研究科

日原由香子＊!

埼玉大学大学院理工学研究科

栗栖源嗣＊!

大阪大学蛋白質研究所

檜山哲夫!

埼玉大学

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

岡山大学資源生物科学研究所

前

東北大学

櫻井英博!

早稲田大学

牧野

佐藤和彦!

兵庫県立大学

増田真二＊!

亘!

忠彦!
周!

東北大学大学院農学研究科
東京工業大学

佐藤公行!

岡山大学

佐藤直樹!

東京大学大学院総合文化研究科

佐藤文彦!

京都大学大学院生命科学研究科

松浦克美!

首都大学東京都市教養学部

鹿内利治!

京都大学大学院理学研究科

松田祐介＊!

関西学院大学理工学部

近畿大学農学部

真野純一＊!

山口大学農学部

理化学研究所植物科学研究センター

皆川

基礎生物学研究所
京都大学大学院地球環境学堂
海洋バイオテクノロジー研究所

重岡成!

篠崎一雄＊!

!

島崎研一郎!

!
増田建!

バイオ研究基盤支援総合センター
東京大学大学院総合文化研究科

純!

九州大学大学院理学研究院

宮下英明＊!

嶋田敬三!

首都大学東京宮地重遠!

白岩義博＊!

筑波大学生物科学系

村田紀夫!

基礎生物学研究所

沈

岡山大学大学院自然科学研究科

山谷知行!

東北大学大学院農学研究科

名古屋市立大学

横田明穂!

!

建仁!

杉浦昌弘!
!
杉田

護!

大学院システム自然科学研究科
名古屋大学遺伝子実験施設

杉山達夫!

名古屋大学

鈴木祥弘!

神奈川大学理学部

奈良先端科学技術大学院大学
!

和田

元!

バイオサイエンス研究科
東京大学大学院総合文化研究科＊平成23年より新幹事147

光合成研究21 (3) 2011

編集後記
早いもので2011年も、もう終わろうとしています。東日本大震災やタイでの大洪水など、自然災害の猛威にさらされた一年であったと言えるかもしれません。私たち学会執行部は2期目の残り1年を向
かえ、最終コーナーを回ろうとしています。残された来年1年の学会活動を充実したものにしていければと考えています。今号での若手の会のサイエンスアゴラにおける取り組みや、解説特集「光合成の光エネルギー変換メカニズム ―物理学的手法によるアプローチ―」を読んでいると、「光合成」というキーワードの一般の人にとっての親しみやすさと同時に、その精緻な構造に含まれた奥の深さそして難しさを感じます。先端的研究を進めつつ、アウトリーチ活動にも取り組みことは、一見相反するエネルギーが必要にも感じますが、うまく融合することが出来れば、この分野を活性化する新たな手段に成り得ると思います。今後も本学会で取り組んでいくべき活動だと感じました。来年は辰年。登り龍のように、皆様の研究が発展していくことをお祈りしております。良いお年をお過ごしくださ
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。

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光合成研究21 (2) 2011******************************************************************************************「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

2010-2011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!
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（岡山県農林水産総合センター生物科学研究所）!
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）
皆川 純（基礎生物学研究所）! （企画担当）（企画担当）

会計監査!
田中 歩（北海道大学）******************************************************************************************
光合成研究 第21巻 第3号 （通巻62号） 2011年12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
郵便振替口座銀行振込の場合

加入者名：日本光合成学会

口座番号：00140-3-730290

ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290
名前：ニホンコウゴウセイガッカイ

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