海洋細菌の新たな光エネルギー獲得戦略~ロドプシンの集光アンテナと光サイクル加速色素の発見~

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2025-09-05 東京大学,理化学研究所,海洋研究開発機構,東北大学,海洋研究開発機構 変動海洋エコシステム高等研究所

東京大学・理化学研究所・海洋研究開発機構・東北大学らの国際共同研究チームは、海洋細菌のロドプシンにおいて光利用効率を高める新たな仕組みを発見した。従来知られていた「集光アンテナ(カロテノイドが光を受容しレチナールへエネルギーを伝達する機構)」に加え、カロテノイドがロドプシンの光サイクルを加速させ、水素イオン輸送量を増大させる「光サイクル加速色素」としても機能することを解明。また、塩化物イオン輸送型ロドプシンにも集光アンテナが存在し、カロテノイドが縦向きに結合する新しい構造様式を確認した。これらの光利用効率化システムにより、ロドプシンを持つ海洋細菌は光量の少ない深海域(150〜200m)でも光エネルギーを獲得可能であることが示唆される。本成果は、光合成以外の光エネルギー利用戦略の進化的多様性を明らかにし、地球規模の海洋生態系における細菌の役割理解を大きく前進させるもの。

海洋細菌の新たな光エネルギー獲得戦略~ロドプシンの集光アンテナと光サイクル加速色素の発見~
図1:ロドプシン-集光アンテナ複合体の立体構造
左からXR-サリニキサンチン複合体(好塩細菌由来)、Kin4B8-ゼアキサンチン複合体(淡水性細菌由来)、NM-R1-ゼアキサンチン複合体、NM-R1-ミクソール複合体、NM-R3-ミクソール複合体を示す。それぞれのカロテノイド分子を赤色または橙色で示している。NM-R1、NM-R3の立体構造はクライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析(注4)により決定した。

<関連情報>

カロテノイドはロドプシンに結合し、海洋バクテロイダータ門における光周期促進色素として機能する Carotenoids bind rhodopsins and act as photocycle-accelerating pigments in marine Bacteroidota

Takayoshi Fujiwara,Toshiaki Hosaka,Masumi Hasegawa-Takano,Yosuke Nishimura,Kento Tominaga,Kaho Mori,Satoshi Nishino,Yuno Takahashi,Tomomi Uchikubo-Kamo,Kazuharu Hanada,Takashi Maoka,Shinichi Takaichi,Keiichi Inoue,Mikako Shirouzu & Susumu Yoshizawa
Nature Microbiology  Published:04 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41564-025-02109-1

Abstract

Microbial rhodopsins are photoreceptor proteins widely distributed in marine microorganisms that harness light energy and support marine ecosystems. While retinal is typically the sole chromophore in microbial rhodopsins, some proteorhodopsins, which are proton-pumping rhodopsins abundant in the ocean, use carotenoid antennae to transfer light energy to retinal. However, the mechanism by which carotenoids enhance rhodopsin functions remains unclear. Here, using the marine Bacteroidota isolate Nonlabens marinus S1-08T, we reconstituted complexes of rhodopsins with the carotenoid myxol and detected energy transfer to retinal in both proteorhodopsin and chloride ion-pumping rhodopsin. Carotenoid binding facilitated light harvesting and accelerated the photocycle, thereby improving the light utilization efficiency of proteorhodopsin. Cryogenic electron microscopy structural analysis further revealed the molecular architecture of the carotenoid–rhodopsin complexes. The ability to bind carotenoids is conserved in rhodopsins of the marine-dominant phylum Bacteroidota, which are widely transcribed in the photic zone. These findings reveal how carotenoids enhance rhodopsin functions in marine Bacteroidota.

生物化学工学
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