光合成の進化の過程を実験室で再現する試み

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光合成生物は光合成色素の種類によって高次に分類されている。申請者は光合成色素合成の遺伝子を単離しその分子系統学的解析を行った。その結果,光合成色素合成の遺伝子の分子系統学的解析によって、植物の進化の道筋を明らかにできたが,新しい色素がどのように細胞内で機能を持つに至ったか、といった具体的な過程は全く不明であった。そこで申請者は、クロロフィルbという色素とその特異的結合タンパク質を持たないラン藻に、クロロフィルb合成遺伝子(CAO)を導入することで、光合成生物が進化の過程でクロロフィルbを初めて獲得した過程を再現した。その結果、ラン藻で合成されたクロロフィルbは、予想に反して既存の色素タンパク質に取り込まれ,光エネルギーを捕捉し,光合成に利用することが分かった。この結果を酸素発生型光化学系の誕生に応用するため,酸素非発生型光合成を行う光合成細菌のバクテリオクロロフィル結合型反応中心タンパク質(pshA)がクロロフィルaと結合することを調べるため,ラン藻に最も近いと予想されている光合成細菌であるH.mobilisから反応中心タンパク質pshAをPCRを用いて単離し,ラン藻Synechocystis sp.PCC6803に導入を試みたが、安定に発現する株は残念ながら得られなかった.一方、CAOを導入した場合、CP43'タンパク質にもクロロフィルbが取込まれることが明らかにされた.さらに,シロイヌナズナにプロクロロトリックスのCAOを導入したところ、中心集光装置にもクロロフィルbが取込まれることが明らかになった.これらの実験から,申請者は,1.進化の過程で新しい色素合成遺伝子を獲得し、2.合成された色素はそのアフィニティによって既存タンパク質に分配され,3.次に色素のタンパク質への分配機構を獲得し、新たな色素系が確立する、といったモデルを提唱した.