分布在地球各地的含视紫V体育细菌的新光能获取策略--发现利用叶黄素的光捕获天线--

东京大学
V体育

1。主持人

藤原贵正（东京大学前沿科学研究生院博士课程）
村越俊哉（东京大学研究生院研究生院硕士课程）
Keiichi Inoue（东京大学固体物理研究所副教授）
Hideki Kandori（V体育工学研究科特别教授）
Wataru Shihoya（东京大学研究生院研究生院助理教授）
吉泽进（东京大学前沿科学研究生院/东京大学大气海洋研究所副教授）
Osamu Nureki（东京大学研究生院教授）

2。演讲要点

◆我们发现，将光能转化为化学能的蛋白质（黄视紫V体育和蛋白视紫质）使用叶黄素（玉米黄质和叶黄素）（一种类胡萝卜素色素）作为光捕获天线。
◆我们在世界上首次确定了玉米黄质和黄视紫V体育复合物的三维结构。
◆这一结果表明，具有捕光天线的视紫V体育广泛分布于水生微生物中，并且视紫V体育接收的光能量可能大大超过之前的估计。

3。演示摘要

　地球上几乎所有的生物都是利用来自阳光的能量来进行生命活动的。然而，能够将阳光转化为可用化学能的生物体数量有限。典型的例子是利用叶绿素色素进行光合作用的生物体（植物和一些微生物），但众所周知，在海洋和河流中，不仅存在光合生物体，还存在许多利用与视网膜色素结合的感光蛋白（微生物视紫V体育：注1）将阳光转化为化学能的微生物。换句话说，在水生环境中，这两种光感受器机制充当了将光能引入生态系统的窗口。
该研究小组通过与以色列、西班牙、德国研究小组的国际联合研究，发现生活在淡水湖泊和海洋中的微生物拥有视紫V体育，该视紫V体育除了视网膜色素外，还与类胡萝卜素色素的一种（注2）叶黄素（玉米黄质和叶黄素）结合。此外，我们还发现这些色素充当光捕获天线，将接收到的光能转移到视网膜色素，并且具有光捕获天线的视紫V体育广泛分布于水生微生物中。这一发现表明视紫V体育利用水生生态系统中的光收集天线接收比之前估计更多的光能。为了了解生态系统，必须了解接收光能的生物体的光接收效率，并准确计算流入生态系统的光能量。这项研究的结果预计将导致人们对全球水生生态系统有更深入的了解。
　这项研究成果于 2023 年 3 月 1 日（英国标准时间）发表在《英国科学杂志》上。

4。演示内容

研究背景

　几乎所有的生态系统都以太阳的光能为基础，而生态系统则由将光能转化为化学能的生物体支撑。特别是在海洋、河流、湖泊等水生生态系统中，浮游植物、蓝藻等微生物进行光合作用，长期以来人们认为只有这些光合生物才能转化光能。
然而，2000年，海洋细菌的宏基因组分析（注3）报告了存在一种称为微生物视紫V体育的光能接收机制，它与光合作用完全不同。视紫V体育，称为蛋白视紫V体育（PR），当结合的视网膜色素接收光能时会产生氢离子（H⁺)从细胞内部到外部，形成可供生物体利用的电化学势。随后的研究表明，生活在海洋表面的大多数细菌都拥有PR基因，并且据估计，在某些海域，PR接收到的光能与光合作用一样多。此外，不仅生活在海洋中，而且生活在河流和湖泊中的微生物中也相继发现了微生物视紫V体育，了解视紫V体育的光接收效率被认为对于了解流入生态系统的光能的量极其重要。然而，视网膜色素仅负责微生物视紫V体育的感光吗？或者它是否有一个可以将能量传输到视网膜色素的光捕获天线？我什至不了解它的基本特征。

研究内容

一般来说，在微生物视紫V体育中，只有视网膜色素接受光能，但黄视紫V体育（XR）除了视网膜色素外，还与类胡萝卜素色素盐黄素结合，可以利用视网膜色素无法接受的蓝到绿光。有助于光接收的色素被称为光捕获天线，已知XR能够接收比一般视紫V体育更宽波长范围的光。然而，目前已知的具有光捕获天线的视紫V体育只有三种，人们认为这是生活在特定陆地环境中的微生物所拥有的一种特殊的光接收机制。此外，由于视紫V体育蛋白的三维结构限制（图1），所有已知的具有光捕获天线功能的类胡萝卜素色素都具有共同的结构，即4-酮环结构（注4）。
　在这项研究中，我们研究了生活在特殊陆地环境以外的地区的微生物是否也含有配备光捕获天线的视紫V体育。我们对生活在以色列淡水湖加利利海的微生物进行了宏基因组分析，并寻找视紫V体育基因。在大肠杆菌（注5）中异源表达该基因后，将从湖水中提取并浓缩的色素添加到纯化的视紫V体育蛋白中。结果，我们发现除了视网膜色素外，XR 还与玉米黄质和叶黄素结合（图 2）。此外，通过研究该 XR 可以使用的光波长，结果表明，结合的玉米黄质和叶黄素充当光捕获天线，将接收到的光能的大约 40% 转移到视网膜色素。
　为了探究本研究发现的XR为什么可以使用不具有4-酮环结构的玉米黄质作为光捕获天线，我们使用冷冻电子显微镜通过单颗粒结构分析（注6）确定了该XR的三维结构（图3）。 XR形成五聚体，玉米黄质结合在每个单体的外侧，在蛋白质表面有一个大的水平孔。玉米黄质的结合羟基环适合侧孔并直接与视网膜染料相互作用。此外，玉米黄质的羟基暴露于溶剂中并与周围的亲水性氨基酸丝氨酸和酪氨酸相互作用。另一方面，在与已知4-酮环结构的类胡萝卜素结合的XR中，这些残基的极性是疏水性的，并且认为构成这些侧孔的氨基酸残基的性质和结构的差异决定了XR之间结合的类胡萝卜素色素的差异。
　另一方面，在约占地球表面积70%的海洋中，已知生活在海洋表面的细菌有一半以上具有PR，但由于其三维结构的特点，人们认为它们不具有集光天线。在使用学术研究船 Tansei Maru（注 7）进行研究巡航期间，海洋细菌（粘杆菌sp。 SG-28），并研究了SG-28品系的PR是否配备有集光天线。在大肠杆菌中异源表达SG-28菌株的PR基因并纯化蛋白质后，加入从SG-28菌株中提取的类胡萝卜素色素，再次进行蛋白质纯化。一系列分析表明，SG-28菌株所拥有的PR利用SG-28菌株产生的玉米黄质作为光捕获天线（图4）。
　此外，利用迄今为止进行的宏基因组数据，我们研究了在每个水生环境中检测到的所有视紫V体育中，具有提供光捕获天线所需氨基酸的视紫V体育的比例。结果表明，具有光捕获天线的视紫V体育广泛分布于世界各地的淡水和海洋区域（图5）。

5。出版杂志

杂志名称：“自然” （在线版本：3 月 1 日）
论文标题：水生环境中含有天线的视紫V体育泵的光养作用
作者：Ariel Chazan#、Ishita Das#、Takayoshi Fujiwara#、Shunya Murakoshi#、Andrey Rozenberg#、Ana Molina-Márquez、Fumiya K Sano、Tatsuki Tanaka、Patricia Gómez-Villegas、Shirley Larom、Alina Pushkarev、Partha Malakar、Masumi Hasekawa、Yuya Tsukamoto, Tomohiro Ishizuka、Masae Konno、Takashi Nagata、Yosuke Mizuno、Kota Katayama、Rei Abe-Yoshizumi、Sanford Ruhman、Keiichi Inoue、Hideki Kandori、Rosa M León、Wataru Shihoya*、Susumu Yoshizawa*、Mordechai Sheves*、Osamu Nureki* 和 Oded Béjà*
#（共同第一作者），*通讯作者
DOI 号：101038/s41586-023-05774-6
摘要网址：

6。联系方式

研究相关

东京大学研究生院研究生院生物科学系
助理教授志保谷涉
电子邮件：tbzo8980[at]geccu-tokyoacjp

东京大学前沿科学研究生院/东京大学大气海洋研究所海洋生态系统科学系
吉泽进副教授
电子邮件：yoshizawa[at]aoriu-tokyoacjp

东京大学研究生院生物科学系
Osamu Nureki 教授
电子邮件：nureki[at]bssu-tokyoacjp

V体育工学研究科工学部（生命与应用化学领域）
特聘教授神取英树
电话：052-735-5207
电子邮件：kandori[at]nitechacjp

与举报相关的事宜

东京大学大气海洋研究所公共关系战略室
电子邮件：kouhou[at]aoriu-tokyoacjp

V体育企划公关科
电话：052-735-5647
电子邮件：pr[at]admnitechacjp

东京大学固体物理研究所公共关系办公室
电话：04-7136-3207
电子邮件：press[at]isspu-tokyoacjp

请将 *[at] 替换为 @。

7。词汇表

(注1)微生物视紫V体育
一种七跨膜感光蛋白，作为发色团与视网膜色素结合。已知视紫V体育基因广泛分布于细菌、古细菌、真核微生物和巨型病毒中。

(注2)类胡萝卜素色素
一组主要吸收波长为 400 至 500 nm 的光并呈现黄色、橙色和红色的天然色素。

（注3）宏基因组分析
一种无需培养实验，对从海水等环境样品中提取的DNA碱基序列进行全面解码并分析样品中微生物的方法。解码的DNA序列数据称为宏基因组数据。

(注4)4-酮环结构
由碳形成的六元环结构，其中第四个碳原子具有酮基。在具有迄今为止已确定其三维结构的光捕获天线的视紫V体育中，类胡萝卜素色素的酮基形成与视紫V体育的结合位点。

(注5)异源表达
将目标基因的DNA人工插入另一个生物体中以制造特定蛋白质的实验方法。

(注6)单颗粒结构分析
一种结构分析方法，可根据电子显微镜拍摄的图像确定许多生物分子的三维结构。无需创建目标样品晶体即可获得三维结构信息。

(注7)浅蓝色圆圈
日本海洋地球科学技术机构拥有的一艘学术研究船。本研究中使用的海洋细菌 (粘杆菌sp。 SG-28）是 KT-09-11 研究巡航期间分离出来的样本，并保存在实验室中。

8。附件

图1类胡萝卜素色素的结构式
玉米黄质和叶黄素（在本研究中被证明可作为光捕获天线）与 Salinixanthin 和海胆酮（已知的光捕获天线）的结构式比较。玉米黄质和叶黄素4-不具有酮环结构（红色氧原子）。

　

图2　黄紫V体育与类胡萝卜素色素结合的实验流程及吸收光谱
左图显示实验流程，右图显示结果。可以看出，黄视V体育和从湖水中提取的部分色素（叶黄素）已经结合。

　

图3 与玉米黄质缀合的黄视紫V体育Kin4B8的3D结构
得到左图5构建的质量密度图和模型Kin4B8单体结构。右图显示了玉米黄质的结合模式。

　

图4　通过光收集天线获取变形视紫V体育 (公关)
海洋细菌如左所示粘杆菌sp。 SG-28殖民地照片和SG-28该菌株所拥有的蛋白视紫V体育示意图。右图显示了变形视紫V体育的吸收光谱。通过与玉米黄质结合，变形视紫V体育可以接收大范围的短波长光能。

　

图5视紫V体育与光捕获天线的地理分布
使用宏基因组数据创建的具有光捕获天线的视紫V体育的地理分布。可以根据视紫质蛋白上特定位置的氨基酸类型来估计视紫V体育是否配备有光捕获天线。该位置的氨基酸是甘氨酸(G，黄色）与其他氨基酸（苯丙氨酸（F) 和色氨酸 (W)，两者都是蓝色的)，不形成侧孔，不能有聚光天线。视紫V体育的类型是蛋白视紫V体育 (P，紫色)，黄视紫V体育 (X，红色），其他视紫V体育（Z，灰色）。据估计，形成水平孔结构的视紫V体育在多种环境中普遍存在，包括海洋、沿海地区、淡水和盐湖。