藻類の新たな光利用の仕組みを解き明かす ―光合成タンパク質の機能設計やデザインに画期的な指針―

2026年2月18日

理学研究科
プレスリリース

ポイント

◇Chl a^※¹のみで近赤外光^※²を利用する藻類の光合成アンテナ^※³rVCPの立体構造と色素配置を、クライオ電子顕微鏡^※⁴により2.4Åの高分解能で解明。

◇rVCP はヘテロ二量体^※⁵が二つ結合し独特な四量体構造を形成し、ヘテロ二量体内に沿った大規模なクロロフィルクラスターを内部に持つことを明らかに。

◇近赤外吸収が電荷移動を含まずエネルギー非局在化のみにより生じることを明らかにし、光合成タンパク質設計や構造デザインの基盤となる知見を示した。

概要

森林や水圏環境の一部では可視光が乏しく近赤外光が主要となる環境が存在します。そういった環境では、光合成生物が特殊な仕組みで近赤外光を利用しています。真正眼点藻^※⁶の一種であるTrachydiscus minutusは、近赤外光を吸収できる光合成アンテナ複合体rVCPを持ちながら、Chl aだけで近赤外光利用を実現する希少な生物です。しかし、その立体構造が明らかでないため、近赤外光吸収の発現メカニズムは長らく解き明かされていませんでした。

大阪公立大学人工光合成研究センターの藤井律子准教授、大阪大学蛋白質研究所の関荘一郎特任研究員（常勤）、栗栖源嗣教授、同大学大学院生命機能研究科の難波啓一特任教授（常勤）、チェコ南ボヘミア大学のTomáš Polívka教授およびRadek Litvín 准教授、イタリアピサ大学のLorenzo Cupellini准教授らの国際共同研究グループは、クライオ電子顕微鏡法により真正眼点藻 Trachydiscus minutus の光合成アンテナrVCPの立体構造を2.4 Åの高分解能で解明しました。その結果、rVCPがこれまで例のない“ヘテロ二量体２つによる四量体構造”を形成し、内部に大規模なクロロフィルクラスターを持つことが判明しました。さらに量子化学計算^※7を組み合わせることで、ヘテロ二量体内の三つのクロロフィルクラスターが近赤外光吸収に特に寄与しており、その機構が電荷移動ではなく、分子間のエネルギー非局在化によって生じることを明らかにしました。本成果により、植物や藻類が近赤外光を利用するユニークな分子機構の理解が大きく前進しました。これらの構造的特徴は、今後の光合成タンパク質の機能設計や構造デザインに重要な基盤となると期待されます。

本研究成果は、2025年12月13日に国際学術誌「Journal of the American Chemistry Society」にオンライン掲載されました。

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図1：湖に住むこの単細胞藻は、光合成アンテナの中に巨大なクロロフィルの集合体を配置することで、近赤外光を光合成に利用している（イメージ）。伊佐治由貴、関荘一郎作

長年切磋琢磨してきた超高速分光の研究者と、お互い研究室を主催するようになってからは初めての共同研究になりました。彼らの分光データをもとに、構造解析と量子化学計算で赤色シフトの仕組みを解明する過程で、刺激的で充実した議論を重ねて推敲する楽しさを味わえました。良い雑誌に発表することができ、本当に嬉しいです。

藤井律子准教授

本研究は私が学生の時に共同研究の交渉、マネジメントから実験、論文化まで自身が主導として実施した思い入れのある研究です。そのため本研究がJACSという著名な雑誌に掲載されることを非常に感慨深く感じております。今後の光合成生産量の増幅に貢献できる研究と考えています。

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関荘一郎特任研究員（常勤）

掲載誌情報

【発表雑誌】Journal of the American Chemistry Society
【論文名】Exciton Delocalization Promotes Far-Red Absorption in a Tetrameric Chlorophyll a Light-Harvesting Complex fromTrachydiscus minutus
【著　　者】Soichiro Seki※, Lorenzo Cupellini, David B í na, Elena Betti, Petra Urajová, Hideaki Tanaka, Tomoko Miyata, Keiichi Namba, Genji Kurisu, Tomáš Polívka, Radek Litv í n※, Ritsuko Fujii※ (※責任著者)

【掲載URL】https://doi.org/10.1021/jacs.5c17299

用語解説

※1 Chl a：葉緑素とも呼ばれる緑色の色素で、植物や藻類、シアノバクテリアが光合成を行うために欠かせない物質。有機溶媒中では青色(440 nm付近)と赤色(660 nm付近)に吸収帯を持つ。

※2 近赤外光：人間の目には見えない約700 nmより長波長側の光。陸上に生育する光合成生物の多くは光合成に利用することが出来ない。

※3 光合成アンテナ：太陽光を獲得しそのエネルギーを光合成反応中心に伝達する色素と蛋白質の複合体。

※4 クライオ電子顕微鏡法：蛋白質等の立体構造を同定する手法。極低温で凍結させたサンプルの電子顕微鏡画像を取得し、その画像の重ね合わせから立体構造を決定できる。

※5 ヘテロ二量体：似て非なる二つの蛋白質が結合することで構成される超分子。

※6 真正眼点藻：不等毛植物の一種で、単細胞の真核性光合成生物の総称。

※7 量子化学計算：量子力学の原理に基づき、分子の機能を計算、予測する手法。

資金情報

本研究は、科学研究費補助金学術変革A「光合成ユビキティ」（課題番号：23H04958、24H02091）、若手研究（課題番号：25K18413）、特別研究員奨励費（課題番号：23KJ1834、25KJ0223）、科学技術振興機構 CREST （課題番号：JPMJCR20E1）、生命科学・創薬研究支援基盤事業（課題番号：JP23ama121001、JP23ama121003）、OP JAK project in Czeck Republik (課題番号：CZ.02.01.01/00/22_008/0004624)、施設支援費 (RVO: 60077344)、日本電子YOKOGUSHI協働研究所の支援を受けて実施しました。