光合成を調節する光スイッチの動作するしくみを解明

ビリン発色団の吸収波長のメカニズムとして、４つのピロール環の配置が平面に近いほど、赤っぽい長波長の光を吸収することが、これまでの研究で明らかとなっていました。今回のPg状態ではビリン発色団４つのピロール環の平面性は大きく崩れておらず、新しいメカニズムが存在すると考えられました。
そこで本研究グループは、今回得られたX線結晶構造と量子化学計算という手法を用いて、B環からプロトンが外れることの影響を詳しく調べました。
その結果、脱プロトン化したB環では、環を構成している炭素原子同士の結合距離にバラツキが生じていることが明らかとなりました（図６）。炭素原子の結合距離のバラツキは、ピロール環におけるπ電子の共有がしにくくなっている（非局在化が弱まっている）ことを示しています。
つまり、Pgではビリン発色団のピロール環の平面性は保ったままで、脱プロトン化という新しいメカニズムによって、吸収波長を大きくシフトさせていることが明らかとなったのです。


【今後の展望】
本研究グループのこれまでの研究で、光色順化を制御するシアノバクテリオクロムRcaEのPg状態とPr状態の詳細な構造が明らかとなりました。今後は、Pg → PrとPr → Pgの光によって変換していく過程で、どのような中間状態が生じているのか、その詳細なメカニズムに迫っていくことが重要です。そのためには、低温ラマンスペクトルや過渡吸収スペクトルといった各種の分光解析と、発色団の同位体ラベリング、量子化学計算といったアプローチを組み合わせた融合型の基礎研究を推進する必要があります。
また、緑・赤色光を吸収するタイプのシアノバクテリオクロムは、光照射によって生物の遺伝子機能を操作する光スイッチとしての利用が進んでいます。オプトジェネティクスと呼ばれるこの技術は研究ツールとして、特に脳神経系の基礎研究分野で大いに役立っています。
今回の発見を応用し、ビリン発色団のプロトン化状態を制御することが可能になれば、光スイッチの吸収波長を大きく改変できると考えられます。その結果、様々な波長の光を用いて、生物の機能を自在に調節できる未来がやってくるかもしれません。

【論文情報】
論文タイトル：Green/red light-sensing mechanism in the chromatic acclimation photosensor
著者名：Takayuki Nagae, Yuya Fujita, Tatsuya Tsuchida, Takanari Kamo, Ryoka Seto, Masako Hamada, Hiroshi Aoyama, Ayana Sato-Tomita, Tomotsumi Fujisawa, Toshihiko Eki, Yohei Miyanoiri, Yutaka Ito, Takahiro Soeta, Yutaka Ukaji, Masashi Unno, Masaki Mishima, and Yuu Hirose
雑誌：Science Advances
掲載日：2024年6月12日（水）14:00（午後2:00）（米国東部時間）