多くの光合成細菌にとって酸素は有害ですが、海洋性紅色非硫黄細菌は酸素存在下でも生育できます。筑波大学計算科学研究センターの谷 一寿 教授、茨城大学学術研究院基礎自然科学野の大友 征宇 教授らの研究チームは、この細菌において光合成を担うタンパク質複合体の構造をクライオ電子顕微鏡で観察したところ、新たな膜タンパク質を発見し、酸素存在下でも効率よくエネルギー変換できる仕組みの一端を解明しました。
光合成細菌は光合成の際に酸素を発生しませんが、太陽光エネルギーを高効率で化学エネルギーへ変換する能力を持ちます。また、植物が利用しない近赤外光を利用でき、淡水や海水、温泉など多様な環境に適応しています。中でも海洋性紅色非硫黄細菌 Rhodovulum sulfidophilum は、酸素存在下でも高い環境耐性を持つモデル生物です。しかし、その光捕集・エネルギー変換を担うタンパク質LH1–RC複合体が高効率な光合成を実現する仕組みは未解明でした。
本研究では、クライオ電子顕微鏡を用い、1.8 Åという極めて高い分解能でLH1–RC複合体を解析し、未知の膜タンパク質protein-3hを同定しました。さらに、この膜タンパク質の近傍には、ヘム（鉄を中心に持つ環状分子）に結合していない孤立した鉄が存在することを明らかにし、この鉄が電子伝達の中継点として機能する可能性を示しました。これらの知見は、光合成の理解を深めるとともに、遺伝子改変によるバイオテクノロジー応用や、硫化水素を含む排水処理など環境インフラ維持への貢献につながると期待されます。
研究の背景
光合成細菌は、植物やシアノバクテリアとは異なり、光合成の際に酸素を発生しませんが、太陽光エネルギーを高効率で化学エネルギーへと変換する能力を持っています。これらの細菌は、植物が利用しない近赤外光を利用できるという共通の特徴を持ち、淡水、海水、温泉など多様な環境に適応した光捕集の仕組みを発達させてきました。
通常、光合成細菌は酸素が存在する環境では生育しにくいとされていますが、そのような条件下でも生育できる紅色非硫黄細菌は独自の進化を遂げてきました。そのうちの一種である海洋性光合成細菌 Rhodovulum sulfidophilum（R. sulfidophilum）は、高い環境耐性を持つモデル生物です。この細菌の光捕集・エネルギー変換を担うタンパク質複合体「LH1–RC」では、シトクロムサブユニットに含まれるヘムの数が一般的な4個ではなく3個であり、少ないヘム数で高効率の光合成を実現する仕組みは長らく未解明でした。そこで本研究では、クライオ電子顕微鏡を用いて、R. sulfidophilum のLH1–RC複合体の詳細な構造解析を行いました。
研究内容と成果
本研究では、クライオ電子顕微鏡観察において、約1.8 Å（この種のタンパク質では、これまでX線構造解析による1.9Åが最高）という世界最高レベルの分解能で構造を可視化することに成功し、電子密度マップからアミノ酸配列を推定することで、ゲノム上でLH1–RC複合体中に新しい膜タンパク質（protein-3h）が含まれていることを発見しました（図1）。LH1複合体は、16組のαβサブユニットからなる開いたリング構造を形成し、2種類のカロテノイドが配置されることで膜内部はほぼ密閉されています。この構造により、エネルギー変換に関わる分子（キノン）の出入りは、リングの切れ目1か所に限定されます。これは、多くの紅色細菌が形成する閉じたLH1リングとは対照的で、本種の特徴の一つです（図1）。
反応中心には、3つのヘムを持つシトクロムサブユニットが結合していました。外側のヘムに配位するアミノ酸は、一般的なメチオニンではなくシステインであり、その結果、電子の受け渡しのしやすさ（酸化還元電位）が大きく変化していることが分かりました。さらに、その近傍には新規の非ヘム鉄（タンパク質と結合していない鉄）が存在し、ヒスチジン（アミノ酸）と水分子により結合していました。EPR（電子常磁性共鳴）測定の結果とも一致しており、この鉄は電子伝達の中継点として機能する可能性が高いと考えられます（図2）。
また、LH1リング開口部に位置するprotein-3hは、反応中心および複数のLH1サブユニットと相互作用していました。このタンパク質はリングの一部として「フェンス」のような役割も果たし、複合体の安定化に寄与していると考えられます。
これらの知見から、R. sulfidophilum では複数の電子伝達経路を環境条件に応じて柔軟に使い分けている可能性が示されました。硫化物に加え、多様な電子供与体を利用できるという生態的特徴も、この柔軟な電子伝達機構に支えられていると考えられます。
今後の展開
本研究成果を基に、紅色非硫黄細菌の酸素や硫黄に対する耐性を高める遺伝子改変を進めることで、バイオテクノロジー分野における利用効率および安定性の向上を図ります。
近年、下水や汚泥に由来する硫化水素による下水管の腐食や、道路陥没事故の危険性が指摘されています。本研究の知見は、硫化水素を含む排水処理への対策など、インフラの維持・保全への応用につながることが期待されます。
参考図
研究代表者
- 筑波大学計算科学研究センター 谷 一寿 教授
- 茨城大学学術研究院基礎自然科学野 大友 征宇 教授
- 神戸大学大学院農学研究科 木村 行宏 教授
- 名古屋大学大学院理学研究科 三野 広幸 准教授
- 沖縄科学技術大学院大学イメージングセクション 望月 俊昭 リーダー
掲載論文
- 題名：Structural insights into the photochemistry of the LH1–RC complex from the marine purple phototrophic bacterium Rhodovulum sulfidophilum（海洋性紅色光合成細菌 Rhodovulum sulfidophilum由来LH1–RC 複合体の構造学的知見）
- 著者名： Xing-Yu Yue, Guang-Lei Wang, Shinya Kosaki, Kenji V. P. Nagashima, Yu-Lu Wu, Yuki Kobayashi, Tomoya Sugiyama, Ryo Kanno, Endang R. Purba, Shinichi Takaichi, Toshiaki Mochizuki, Akira Mizoguchi, Bruno M. Humbel, Michael T. Madigan, Hiroyuki Mino, Kazutoshi Tani, Yukihiro Kimura, Zheng-Yu Wang-Otomo & Long-Jiang Yu
- 掲載誌：Communications Biology
- 掲載日：2026年3月2日
- DOI：10.1038/s42003-026-09755-z
