光合成アンテナの性能を酵素で調整 ― シアノバクテリアの色素代謝設計に新指針 ―

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2026-05-22 東京農業大学

東京農業大学、東京都立大学、東京科学大学、東京大学らの共同研究グループは、シアノバクテリアの光合成アンテナ複合体「フィコビリソーム」の性能が、導入する色素合成酵素の種類によって大きく変化することを明らかにした。研究では、緑色光を吸収する色素フィコエリスロビリン(PEB)を合成する3種類の酵素系(PebA/PebB、PebS、PcyX)を比較した結果、PcyX導入株ではフィコビリソーム構造を維持したまま緑色光利用効率が向上し、細胞増殖も促進されることを確認した。一方、他の酵素系ではPEB蓄積量は高いものの、アンテナ構造の不安定化が生じた。さらに、色素代謝改変が細胞内の酸化還元バランスや炭素代謝にも影響を与えることが示された。本研究は、「どの酵素で色素を作るか」が光合成性能を左右することを示し、高効率光合成微生物や人工光合成デバイス設計への新たな指針となる成果である。論文は「Scientific Reports」に掲載された。

光合成アンテナの性能を酵素で調整 ― シアノバクテリアの色素代謝設計に新指針 ―
図1.集光性アンテナ複合体フィコビリソーム

<関連情報>

光合成光捕集複合体であるフィコビリソームの微調整を目的としたフィコエリトロビリン合成酵素の比較研究 Comparative study of phycoerythrobilin synthases for fine-tuning photosynthetic light-harvesting complexes, phycobilisomes

Mizuho Sato,Mai Watanabe,Misaki Iwata,Kaisei Maeda,Kaori Nimura-Matsune,Masahiko Ikeuchi,Rei Narikawa & Satoru Watanabe
Scientific Reports  Published:27 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-50582-3  Unedited version

Abstract

Phycobilisomes serve as the major light-harvesting antenna complexes in cyanobacteria; they capture light and transfer excitation energy to the photosystems, and their spectral and functional properties are primarily determined by the types of bilin chromophores attached to phycobiliproteins. We previously revealed that the properties of phycobilisomes can be modulated by altering the biosynthesis of these bilin chromophores. In this study, we introduced two distinct phycoerythrobilin (PEB) biosynthetic enzymes, pcyX and pebS, into the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 and successfully enabled PEB incorporation into native phycobilisomes. PebS exhibited high PEB synthesis activity comparable to the canonical PebA-PebB pathway, whereas PcyX showed lower activity, enabling fine-tuning of PEB accumulation. Consistent with previous findings, moderate PEB supply enhanced growth under green light; notably, PcyX expression further promoted growth by providing a more balanced pigment supply. Transcriptome analysis confirmed comparable expression of pebApebB, pcyX, and pebS, and revealed that increased PEB accumulation triggered broad metabolic remodeling: genes for glucose metabolism, hydrogenase complexes, potassium transporters, and regulatory factors including sigma factors were upregulated, suggesting a shift toward dissipation of excess reducing power. Together, these findings demonstrate that engineering bilin biosynthesis modifies light-harvesting properties and influences cellular metabolic balance, illustrating the potential of pigment pathway manipulation for redesigning photosynthetic function.

生物化学工学
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