生物学者は、複雑なタンパク質構造を解明することで、植物における重要なメカニズムを解明した。これは光合成の仕組みの改善、ひいては作物の収穫量増加につながる可能性がある。
光合成は自然の素晴らしい発明ですが、科学者たちはそれをさらに改良しようと努力を続けています。本日Nature誌に掲載された新たな研究では、シェフィールド大学のチームが、植物における電気化学反応が植物の成長に大きく影響する仕組みについて新たな知見を明らかにしました。研究者たちはこのメカニズムを光合成の「鼓動する心臓」と呼んでいます。この反応はシトクロムb6fと呼ばれるタンパク質複合体で起こり、これが光合成において二酸化炭素を炭水化物に変換する植物の能力を支えています。このシトクロムb6fの新たなモデルは、植物生物学者によって光合成の力を強化し、イネやコムギなどのより丈夫な植物を作り出すために活用される可能性があります。
シェフィールド大学の科学者たちは、クライオ電子顕微鏡を用いてタンパク質複合体の高解像度構造モデルを作成しました。シトクロムb6fの複雑なスパゲッティのような形状を解明することで、植物細胞内の2つの光エネルギーで駆動するクロロフィルタンパク質間の電気的接続を可視化することに成功しました。光化学系IとIIとして知られるこれらのタンパク質は、太陽光を化学エネルギーに変換する働きをします。
この新しいモデルを構築することで、研究者たちはシトクロムb6fが自身を通過する電流を利用してプロトン勾配を活性化する様子を観察することができました。これは充電式バッテリーを接続するのと似たプロセスです。この「プロトンバッテリー」に蓄えられたエネルギーは、植物が細胞のエネルギー通貨であるアデノシン三リン酸（ATP）を生成するために利用されます。
プロトン勾配は「バッテリーのように機能し」、二酸化炭素を炭水化物に変換するために必要な必須代謝物であるATPの合成を可能にすると、研究共著者のマット・ジョンソン氏はギズモードへのメールで説明した。「私たちはクライオ電子顕微鏡法によって植物シトクロムb6f複合体の構造を明らかにしました。この複合体が電子輸送分子をどのように処理し、膜を通過するプロトン数を倍増させるかを示しています。」
ジョンソン氏は、このプロセスの効率を調節する上で重要な役割を果たすことから、これを「光合成の鼓動する心臓部」と呼んでいる。
「最終的にこの反応は、植物が二酸化炭素を世界の食物連鎖を支える炭水化物とバイオマスに変えるために必要なエネルギーを提供します」と、研究の筆頭著者であり、シェフィールド大学分子生物学・バイオテクノロジー学部の博士課程学生であるローナ・マローン氏は声明で述べた。
この新たな研究に先立ち、他の科学者らはシトクロムb6fのレベルを微調整することで植物を大きく育てられることを示しており（こちらとこちら）、実験室環境では植物の成長を最大30%も促進できた例もありました。今回の新たな研究は、このプロセスの仕組みをさらに解明し、最終的には光合成そのものの再設計と改良に役立つ知見を提供しています。
「シトクロムb6f複合体のいくつかの構成要素を増やすと、植物の成長が促進されることはわかっています」と、イリノイ大学のポスドク研究員で、今回の研究には関わっていない植物生物学者のアマンダ・カヴァナ氏は、ギズモードへのメールで述べています。「しかし、植物のタンパク質構造がまだ分かっていないため、どの構成要素を改善のターゲットにすべきかを知ることは困難です。タンパク質構造がなければ、複合体のどこで化学反応が起こっているのかを正確に知ることはできません。」
この新たな研究により、シトクロム b6f の植物構造がついに明らかになり、この複合体内のどこで作用が起こっているかがわかるとともに、その仕組みに関する新たな知見も得られると彼女は述べている。
「この情報により、合成生物学のツールを使って光合成のこの速度制限段階を改善し、重要な食用作物の収穫量を増やすことができるようになりました」とキャバナ氏は語った。
https://gizmodo.com/genetic-modification-turbocharges-photosynthesis-and-dr-1831457375
今年初め、キャヴァナ氏は、植物が光呼吸中に生成する有毒な副産物を除去するのを助けるような微調整など、特定の遺伝子改変が光合成をさらに改善する可能性を説明した論文を共同執筆しました。私たちはゆっくりと、しかし確実に、母なる自然を改良するために必要な科学的知見を獲得しつつあります。光合成は素晴らしいものですが、2050年までに97億人に達すると予想される世界人口に食料を供給したいのであれば、光合成をさらに改善する必要があります。
