深海の光タンパク質は圧力にどう耐えるのか? ー静水圧分光により細菌のロドプシンの高圧適応メカニズムを解明ー

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2026-07-31 九州大学

九州大学と東京大学の研究グループは、深海性細菌由来の光応答性タンパク質「ロドプシン(PoXeR)」が、高圧環境に適応する分子メカニズムを解明した。深海では超高圧によりタンパク質の構造や機能が損なわれやすいが、静水圧分光法を用いてPoXeRと常圧環境由来のロドプシン(GR)を比較した結果、GRは加圧で不可逆的な構造変化を起こす一方、PoXeRは加圧後も構造を可逆的に維持することが判明した。さらに、吸収・蛍光・円二色性スペクトル解析により、PoXeRでは圧力の上昇に伴って三量体構造の形成が促進され、この分子会合が高圧下での構造安定性とイオン輸送機能の維持に重要な役割を果たすことを世界で初めて明らかにした。本成果は、深海生物が極限環境へ適応した分子レベルの仕組みを示す重要な知見であり、高圧環境でも機能する光応答性材料や、ロドプシンを利用したオプトジェネティクス(光遺伝学)ツールの開発などへの応用が期待される。

深海の光タンパク質は圧力にどう耐えるのか? ー静水圧分光により細菌のロドプシンの高圧適応メカニズムを解明ー
深海性の細菌由来ロドプシンの高圧による会合

<関連情報>

静水圧分光法により、微生物ロドプシンの高圧環境への適応が明らかになった Hydrostatic pressure spectroscopy reveals the adaptation of microbial rhodopsins to high-pressure environment

Tomoyuki Hamachi,Iori Okamura,Lyu Zikun,Kentaro Mannen,Yoshitaka Kato,Takashi Nagata,Keiichi Inoue & Gaku Fukuhara
Scientific Reports  Published:08 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-61129-x  Unedited version

Abstract

Microbial rhodopsins are light-driven membrane proteins that convert photon energy into biological functions via photocycles initiated by retinal chromophore isomerization. Although their structural and functional properties under ambient conditions have been extensively characterized, the structural basis of adaptation and function of microbial rhodopsins inhabiting extreme environments remains largely unexplored. This study investigates the pressure-dependent spectroscopic properties of Parvularcula oceani xenorhodopsin (PoXeR), a deep-sea inward proton-pumping microbial rhodopsin from Parvularcula oceani, and compares its behavior with that of the terrestrial microbial Gloeobacter rhodopsin (GR). Spectroscopic analyses under hydrostatic pressure reveal that PoXeR exhibits inherent robustness under pressure, whereas GR undergoes irreversible structural perturbations. Circular dichroism spectroscopy demonstrates that PoXeR undergoes pressure-induced oligomerization, which contributes to its enhanced structural stability and functional robustness. These results suggest that oligomerization-mediated structural stabilization is a key adaptive strategy that enables PoXeR to maintain its function under extreme conditions and elucidates the molecular mechanisms of environmental adaptation in microbial rhodopsins.

生物化学工学
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