光合成担う巨大な光化学超複合体を発見

地球上の生命活動を支えている光合成には2種類の光化学系がある。半世紀以上前から知られていることだが、その2種類の光化学系が高等植物では巨大な超複合体を形成して巧みに協調して働いているという新事実を、北海道大学低温科学研究所の田中歩(たなか あゆみ)教授らがモデル植物のシロイヌナズナで見いだした。

光合成の環境適応や調節の仕組みの理解を深める発見として大きな議論を呼びそうだ。同研究所の横野牧生(よこの まきお)博士研究員、高林厚史(たかばやし あつし)助教、神戸大学分子フォトサイエンス研究センターの秋本誠志(あきもと せいじ)准教授との共同研究で、3月26日付の英オンライン科学誌ネイチャーコミュニケーションズに発表した。

植物などが担う光合成は光エネルギーを利用して、二酸化炭素と水を原料に糖を合成する化学反応である。そこで中心的な役割を果たしているのが光エネルギーを変換する光化学系のⅠとⅡで、光を受けてそれぞれ働き、水を分解して引き出した電子を伝達してエネルギーを蓄積する。これは、2つの電池が直列につながっているのに似ている。この2種類の光化学系の協調と制御が重要で、そのバランスが崩れると、光化学系は壊れてしまう。これまでは、2つの光化学系は独立して存在すると考えられており、協調的に動く構造と仕組みはよくわかっていなかった。

研究グループは、植物の光化学系をありのままに分離する電気泳動法と、エネルギーの移動を調べる時間分解蛍光分光法を改良して組み合わせ、謎だった光化学系の構造をシロイヌナズナの葉緑体で詳しく解析した。その結果、光化学系Ⅱ内の励起エネルギーが、光化学系Ⅱのクロロフィルを介して光化学系Ⅰに伝達されることを見いだした。励起エネルギーの伝達は極めて近接した分子間でしか起こらないので、光化学系ⅠとⅡが結合していることがわかった。

さらに、この実験結果から予測される光化学系ⅠとⅡが結合した超複合体を、電気泳動法で分離することに成功した。このように、別々に存在するとされていた光化学系のⅠとⅡが巨大な超複合体を形成して、その中でエネルギーが行き交って、自動的にバランスが取られていることを突き止めた。

光が強くなって電子伝達が渋滞すると、光化学系Ⅱを駆動させていた励起エネルギーも、下流の光化学系Ⅰを動かすのに転用されるなど、超複合体が励起エネルギーを共有して、ストレス回避や光合成の調節に重要な役割を果たすことも確かめた。この光化学系ⅠとⅡの超複合体は可塑的構造で、光が強まると、その割合が増えることも実証した。環境によって、一定の割合の光化学系ⅠとⅡが別々に働くので、従来の説を完全に否定したわけでなく、修正するものとなった。

田中歩教授は「従来の研究では、2つの光化学系が空間的に独立していることが信じられて、それが前提になっていた。今回、超複合体の存在が明らかになり、環境適応や調節、進化、応用など光合成のさまざまな分野で新しい展開があるだろう。現在、常緑樹がどのように凍結環境下でも光合成装置を維持できるのかを、光化学系の超複合体の視点から解析を進めている」と話している。