筑波大學計算科學研究中心的谷一壽教授等人的研究團隊於2月14日發表研究成果稱，在棲息於高鹽濃度、高鹼性環境中的紅色硫黃細菌所進行的光合作用中，發揮重要作用的蛋白質複合體的結構能夠提高能量轉換效率。這一成果有望應用於太陽能的有效利用以及含硫化氫的廢水處理等環保領域。相關研究成果已發表在國際學術期刊《Nature Communications》2月6日刊上。
圖1：通過計算機對冷凍電子顯微鏡照片進行分類視覺化的Hlr.halophila的核心光捕獲反應中心複合體（LH1-RC）和光捕獲共複合體（LH1-LH2）。將冷凍電子顯微鏡照片（左圖）進行二維類分類後的平均化投影圖像（中圖），分別表示為LH1-RC和LH1-LH2。基於空間結構進行的三維類分類收斂為兩種空間結構（右圖）。（供圖：筑波大學）
圖2：由冷凍電子顯微鏡視覺化的Hlr.halophila的核心光捕獲反應中心複合體（LH1-RC）和光捕獲共複合體（LH1-LH2）的空間結構。LH1次單元的α、β鏈各自的兩種異構體配對形成環的最小結構單位。LH1環分別環繞著RC和LH2（半透明色部分）進行排列。（供圖：筑波大學）
適應極端環境生存的紅色硫黃細菌所進行的光合作用與植物不同，不會產生氧，但是卻能以非常高的效率利用硫化氫，將太陽能轉化為化學能量（氧化還原電位差）。這些細菌為了在極端環境中也能穩定地進行光合作用，在演化過程中形成了以效率為優先的獨特機制。
特別是紅色硫黃細菌「Hlr.halophila」被認為是通過特化於光捕獲的蛋白質複合體（LH2）和進行光捕獲以及能量轉換的蛋白質複合體（LH1-RC）緊密結合併一體化，從而承擔相同的功能的。然而，兩者之間的相輔作用較弱，一體化形成的機制此前並不明確。
此次研究團隊對從利比亞沙質沙漠的高鹽分湖中分離出來、生存在鹽分濃度35％以上、pH10.7的高鹼性極端環境中的紅色硫黃細菌「Hlr.halophila」所具有的蛋白質複合體進行了解析。
對這種細菌來源的包含LH2、LH1-RC的樣品溶液進行氨基酸水平的觀察後發現，形成了LH1-LH2、LH1-RC複合體。LH1結構的最小單位由不同於通常結構的多肽鏈構成，LH1結構環繞著LH2或者RC（反應中心）。
LH1-LH2複合體的發光能量轉化效率幾乎達到100％，這表明這種蛋白質複合體的結構提高了能量轉換能力。
LH1-LH2共複合體的結構特徵使這種細菌在生理上能夠適應惡劣環境。研究推測其通過最少量的LH2複合體將激發的能量最大限度地傳遞給核心複合體LH1-RC，從而實現高效發光能量捕獲。
谷教授表示：「與以往的常識不同，我們發現Hlr.halophila體內不僅存在LH1-RC，還共存著新發現的LH1-LH2複合體，這一現象讓我深感自然的巧妙。未來我們期待能繼續觀測到這類顛覆常識、有趣的自然現象。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：A distinct double-ring LH1‒LH2 photocomplex from an extremophilic phototroph
DOI：10.1038/s41467-024-55811-9
