ビリン合成制御によるシアノバクテリアのフィコビリソームの機能改変

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の前田海成助教、東京農業大学大学院バイオサイエンス専攻の佐藤瑞穂、川口毅修士課程学生（研究当時）、渡辺智准教授、東京都立大学大学院理学研究科の渡辺麻衣特任助教、成川礼准教授、および東京大学の池内昌彦名誉教授らの研究グループは、光合成微生物であるシアノバクテリア^[用語1]の集光アンテナ複合体フィコビリソーム^[用語2]に含まれるビリン^[用語3]の代謝を改変し精密にコントロールすることで、フィコビリソームの性質を改変することに成功しました。

本研究成果は国際学術誌「ACS Synthetic Biology」に7月22日付けで掲載されました。

光合成微生物シアノバクテリアは、光合成に必要な光を効率よく集めるためにフィコビリソームと呼ばれる“アンテナ”をもっています（図1）。このフィコビリソームは、光を受け取る性質をもつビリンという化合物とそれを支えるタンパク質でできています。赤色の光を好むシアノバクテリアは、フィコビリソームに青色のビリン（フィコシアノビリン）を使っています。一方で、緑色の光を好むシアノバクテリアは、赤色のビリン（フィコエリスロビリン）を使っています。自然界では、フィコシアノビリンだけを持つシアノバクテリアと、フィコシアノビリンとフィコエリスロビリンの両方をもつシアノバクテリアがいます。シアノバクテリアは、ビリンの量や種類を調整することでさまざまな光環境に適応しています。

研究グループは、このビリンの調整を人工的に行うことでフィコビリソームの性質をコントロールできる方法を開発しました。青緑色のシアノバクテリアであるシネココッカスの細胞内でフィコエリスロビリンの合成酵素（PebAB)を誘導剤の有無に応じて発現させることで、フィコエリスロビリンの量をコントロールすることに成功しました（図2）。誘導剤を添加してPebABを発現しつづけると、青緑色のシネココッカスの培養液は茶色になり、さらに誘導剤を添加して培養を続けると培養液はピンク色へと変色しました。誘導剤を抜くと茶色だった細胞色は青緑色に戻ることも示され可逆的に制御できることも分かりました（図3）。

青緑色、茶色、ピンク色のそれぞれの細胞からフィコビリソームを取り出して比較すると、茶色とピンク色のフィコビリソームは複合体構造が壊れていることが分かりました（図4）。しかし、誘導剤を少量いれて弱くPebABを発現させると、複合体構造を維持したままフィコシアノビリンとフィコエリスロビリンが共存したフィコビリソーム（キメラフィコビリソーム）が得られることに気がつきました（図1, 2）。フィコエリスロビリンは緑色の光を吸収する性質を持ちます。そこで緑色の光のもとで光合成の活性と増殖を調べたところ、キメラフィコビリソームを持つシアノバクテリアは緑色光を光合成に利用でき、野生株よりも早く増殖することが分かりました（図5）。

シアノバクテリアはCO₂を固定しつつ炭素化合物を合成するため、カーボンニュートラルな次世代の有用物質生産ホストとして期待されています。フィコビリソームの機能改変を目的とした本研究は、シアノバクテリアの環境適応能や細胞機能の進化の解明に貢献できるだけでなく、地球に降り注ぐ光エネルギーを余すことなく利用するための高性能な集光システムの開発にも貢献できる画期的な成果です。

多くのフィコエリスロビリンを含みつつ、より安定な複合体を構築できれば、さらに効率よく緑色光を吸収できるようになるかもしれません。何故、フィコエリスロビリンを過剰に蓄積するとフィコビリソームが崩壊したのか、原因はまだ分かっていませんが、ビリンが結合するタンパク質にその謎を解く鍵があると考えています。このように研究グループはフィコビリソームの構造的な特徴をさらに明らかにすると共に、それらの知見を活かして、自然界のフィコリビリソームを超える性能を持つフィコビリソームの創成を目指して研究を進めています。