在原古菌中发现高灵敏光驱动氢离子泵 - 古菌对光的新利用与真核生物的出现有关 -

东京大学固体物理V体育官网所／V体育/日本科学技术振兴机构 (JST)

演示要点

〇我们发现了海姆达尔古菌，一种与真核生物祖先关系最密切的前体古菌，一种极其敏感的光驱动氢离子泵蛋白，称为海姆达尔视紫红质，它使用类胡萝卜素色素作为光捕获天线。
〇〇V体育官网表明，海姆达尔古菌利用海姆达尔视紫红质将太阳光能高效地转化为化学能，揭示了海姆达尔古菌生态学的一个全新方面，导致了真核生物的出现。
〇〇海姆达尔视紫红质利用人类体内丰富的类胡萝卜素色素，如叶黄素，因此有望应用于高灵敏度和创新的视觉再生医学和神经系统疾病的光疗。

摘要

东京大学固体物理研究所井上敬一副教授和特聘研究员绀野正江，该大学研究生院理科研究科的Osamu Nureki和助理教授Shihoya Wataru（研究时，现任：庆应义塾大学）田中龙希副教授、田中龙希特聘助理教授、研究生Yuma领导的研究小组松崎、研究生村越俊哉、V体育特聘教授神取英树、片山浩大副教授、吉住丽研究员、研究生板仓翔太（研究时）、研究生水野洋介等。该环由海姆达尔古菌（Heimdall archaea）创建，海姆达尔古菌是最接近真核生物共同祖先的现存物种之一（注1），它利用类胡萝卜素色素（注2）高效捕获阳光能量，然后将其转化为氢离子（H⁺)并将其转化为化学能的蛋白质。

这项V体育官网利用先进激光技术进行光谱测量，表明海姆达尔视紫红质的类胡萝卜素色素作为光学天线捕获光并将其能量传输到 H⁺世界上首次发现它可以用于运输。此外，通过X射线晶体结构分析（注3），我们成功地鉴定了适合结合各种类胡萝卜素色素的独特结构。迄今为止，人们完全不知道海姆达尔古菌能够高效捕获光并将其用于自身生长，这项V体育官网成果具有重大的学术意义，因为它揭示了该物种前所未有的新方面，这在考虑生命进化时非常重要。此外，由于海姆达尔视紫红质利用人体内存在的叶黄素等类胡萝卜素，因此该蛋白质有望在未来开发利用光的高灵敏视觉再现和神经系统疾病治疗技术中作为新的生物分子工具。

这一成果发表在英国科学杂志《》网络版5月29日。

演示内容

微生物视紫红质（注 4）利用视网膜（维生素 A 的类似物）捕获阳光，并利用该能量将 H 从细胞内部输送到外部。⁺这允许 H⁺形成，驱动细胞能量货币三磷酸腺苷 (ATP) 的合成。众所周知，微生物视紫红质存在于生活在海洋、河流、湖泊和土壤等各种环境中的细菌和古细菌中。最近的V体育官网表明，特别是在海洋中，微生物视紫红质利用大量的阳光能量来维持微生物的生存，这与藻类进行的光合作用相当。

另一方面，在古细菌中，海姆达尔古细菌据说是与古代古细菌最接近的现存物种，古细菌成为包括人类在内的真核生物的共同祖先，并被归类为普罗米修斯古细菌之一，在考虑生命进化时，它作为极其重要的物种而受到关注。然而，由于分离细胞很困难，海姆达尔古菌的大部分生态学都是未知的，这给理解真核生物的过程带来了重大问题。

这个V体育官网小组现在发现，一些以前被认为生活在海洋和湖泊底部的泥浆中的海姆达尔古菌，现在生活在世界各地阳光充足的海洋海水中，并且它们还拥有一种以前未知的微生物视紫红质（海姆达尔视紫红质）（图 1）。

V体育官网小组随后利用大肠杆菌人工生产了大量蛋白质，并V体育官网了海姆达尔视紫红质的特性，发现它与类胡萝卜素色素结合，例如人类等动物的眼睛和皮肤中富含的叶黄素，以及海带和裙带菜等藻类用作光学天线以在光合作用期间有效收集光线的岩藻黄质（图 2，实线）。更令人惊讶的是，当结合的类胡萝卜素色素吸收短波长和高能量的蓝光时，它会将能量转移到附近的视网膜色素，就像视网膜色素吸收了光一样。⁺的转运反应被驱动（图2条形图）。由此，人们认为，海姆达尔古菌通过进化出海姆达尔视紫红质，能够比其他普罗米修斯古菌更熟练地利用阳光，该视紫红质独特地使用多种类胡萝卜素色素作为光学天线。此外，V体育官网小组通过使用激光和红外光的光谱测量发现，当类胡萝卜素色素结合时，海姆达尔视紫红质的结构发生变化，使其更加H⁺。

该V体育官网小组还通过X射线晶体学成功揭示了海姆达尔视紫红质在原子水平上的三维结构（图3）。结果表明，海姆达尔视紫红质具有独特的表面粗糙结构，适合结合多种类胡萝卜素色素。

此外，通过进行计算机模拟，我们揭示了各种类胡萝卜素色素如何与海姆达尔视紫红质结合。此外，从获得的结构中，我们阐明了通过视网膜色素和类胡萝卜素之间的直接接触传递能量的机制（图4）。

这项V体育官网的结果揭示了一个新事实：海姆达尔古菌作为生命进化中的一个重要实体，通过独立获取含有类胡萝卜素色素的微生物视紫红质，已经能够极其熟练地利用光。此外，利用可利用各种类胡萝卜素作为天线的海姆达尔视紫红质，预计将通过其在视网膜色素变性等疾病的高灵敏视觉再现、利用光控制神经细胞离子平衡的神经系统疾病治疗等医疗技术中的应用，对社会产生连锁反应，并有望为阐明从古细菌到真核生物进化路径的V体育官网的进一步发展做出贡献。

演讲者/V体育官网人员信息

东京大学
凝聚态V体育官网所
井上敬一副教授
绀野正江特聘V体育官网员

理学V体育官网生院生物科学系
Osamu Nureki 教授
Wataru Shihoya，助理教授（V体育官网时，现任：庆应义塾大学副教授）
田中达希特聘助理教授
松崎佑马V体育官网生
村越俊也，V体育官网生

V体育
生命与应用化学学院
神取秀树特聘教授
片山浩大副教授
V体育官网员 Rei Yoshizumi

工程V体育官网生院工程系
Shota Itakura V体育官网生（V体育官网时）
水野洋介V体育官网生

论文信息

杂志名称：自然微生物学
标题：远洋阿斯加德古细菌中含有天线的视紫红质的光捕获
作者姓名：Gali Tzlil^#，玛丽亚·德尔·卡门·马林^#，松崎由马^#，可能的老马^#、Shota Itakura、Yosuke Mizuno、Shunya Murakoshi、Tatsuki Tanaka、Shirley Larom、Masaae Konno、Rei Abe-Yoshizumi、Ana Molina-Márquez、Daniela Bárcenas-Pérez、José Cheel、Michal Koblížek、Rosa León、Kota Katayama、Hideki Kandori、Igor Schapiro、Wataru Shihoya*、Osamu Nureki*、Keiichi Inoue*、Andrey Rozenberg*、Ariel Chazan* 和 Oded Béjà*
#(共同)第一作者，*通讯作者
DOI：101038/s41564-025-02016-5
网址：

V体育官网补助金

本V体育官网得到日本学术振兴会（JSPS）科学V体育官网补助金（学术转化领域V体育官网（A）“释放蛋白质功能潜力的生成设计”）、“视紫红质功能表达机制的综合理解与功能改进”（课题负责人：井上敬一，项目编号： JP24H02268）”），学术转化领域V体育官网（A）“分子控制论-利用化学力量构建最小的人工大脑”（V体育官网代表：井上敬一，项目编号：JP23H04404），“开发利用微生物视紫红质对人工细胞进行高速刺激输入的方法”（V体育官网代表：井上敬一，项目编号：JP23H04404），特别促进V体育官网“阐明支持光遗传学的视紫红质（主要V体育官网员：神取英树，项目编号：JP21H04969）”和日本科学技术振兴机构（JST）战略创意V体育官网促进项目（CREST）“通过数据驱动和人工智能驱动的数字化转型进行生命科学V体育官网的创新（V体育官网主管：冈田”创建人工智能主导的自动化蛋白质工程（V体育官网代表：井上敬一，项目编号： JPMJCR22N2）”，“AI主导的自动化蛋白质工程（V体育官网代表：井上敬一，项目编号：JPMJCR22N2）”和“细胞内第二信使的光学操纵的开发和应用（V体育官网代表：神藤英树，项目编号：JPMJCR1753）”），文部科学省跨学科领域发展中心形成计划，多尺度量子经典界面V体育官网联盟（项目编号：JPMXP1323015482）、AMED“药物发现和其他生命科学V体育官网支持基础设施项目”以及作为新的高级V体育官网和开发支持项目孵化类型的一部分，支持药物发现先进技术的平台（BINDS）（首席V体育官网员：Nureki 这项工作得到了“项目编号：JP22ama121012”的支持。

术语表

（注1）真核生物
细胞内具有细胞核的生物体的总称。所有生物体分为三类：细菌、古细菌（archaea）和真核生物。基因V体育官网表明，真核生物是从大约20亿年前与海姆达尔古菌所属的普罗米西亚古菌密切相关的一部分古菌进化而来的。

(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)X射线晶体结构分析
一种通过分析将X射线照射到由规则排列的分子形成的晶体上所获得的衍射图像来阐明分子的三维结构的实验方法。它与冷冻电子显微镜和核磁共振 (NMR) 一起用于分析蛋白质的三维结构。

(注4)微生物视紫红质
它是一种七次跨膜感光蛋白，可与视网膜色素（维生素 A 的类似物）结合。这些微生物视紫红质利用视网膜色素捕获阳光，并利用光能将各种离子（主要是氢离子）输送进出细胞。已知微生物视紫红质广泛分布于细菌、古细菌、真核微生物，甚至巨型病毒中。

联系信息

V体育官网相关

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井上敬一副教授
电子邮件：inoue[at]isspu-tokyoacjp

东京大学V体育官网生院V体育官网生院生物科学系
Osamu Nureki 教授
电子邮件：nureki[at]bssu-tokyoacjp

V体育生命与应用化学系
特聘教授神取英树
电子邮件：kandori[at]nitechacjp

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