遠赤色を吸収するユーグレナ類PSI–LhcE–LhcbMスーパーコンプレックスの構造とエネルギー伝達

形を変える藻類が弱い光からより多くを引き出すしくみ

ユーグレナ・グラシリスは、植物のように光合成を行いながら動物のように摂食もする、小さく柔軟な藻類です。多くの場合、明るい可視光が他の生物によって既に消費されている、薄暗く濾過された池や水たまりに生息します。本研究は、ユーグレナが主要な太陽パネルの一つをどのように書き換え、ほとんどの緑色植物が利用できない波長に当たる遠赤色光を利用できるようにしたかを明らかにしており、作物や人工的に改変した光合成システムの効率向上への手がかりを示します。

二つの系統からできた特別な太陽パネル

著者らは、ユーグレナの主要な光捕集装置の一つである光化学系I（PSI）に注目しました。植物や藻類では、PSIは内部膜に位置し、光エネルギーを細胞の化学的なエネルギー生成へと導きます。高分解能クライオ電子顕微鏡を用いて、研究チームはユーグレナの巨大なPSIスーパーコンプレックスの三次元構造を解明しました。このスーパーコンプレックスは簡素化されたPSIの「コア」と、LhcEおよびLhcbMと呼ばれる巨大な光捕集タンパク質リングを組み合わせたものです。この配置はユーグレナの並外れた歴史を反映しています。ユーグレナはかつて緑藻を取り込んで葉緑体を獲得し、その後赤色系藻類由来の遺伝子も取り込んできました。その結果、よく知られた緑色植物とは配列や色素が大きく異なるキメラ的な装置が生じています。

最小のコアを取り巻く特大アンテナ

他の緑藻のPSIと比べると、ユーグレナのPSIコアは外側のいくつかのサブユニットを失っており、遺伝子レベルで知られる中で最小のコアになっています。しかしこのスリムな中心の周りには異常に大きなアンテナ系が存在します。15個の光捕集複合体が、三つの単独ユニットと六つの対をなすユニットとして配列しています。これらのアンテナタンパク質の大部分はLhcEファミリーに属し、片側に一対だけしっかり結合したLhcbMユニットがあります。アンテナはほぼ対称的なペアを形成し、二層にわたってコアを取り囲むように湾曲して色素の高密度シェルを作り出します。この構造は、緑色植物や多くの藻類で見られるより規則的な「ベルト」状のアンテナとは異なり、色素を高密度に詰め込みつつコアへの効率的な接続を維持するよう精密に調整されているようです。

特注の色素と赤方偏移したクロロフィル対

このリング内部で、研究者らは数百のクロロフィル分子と数十のカロテノイド色素を同定しました。ユーグレナのアンテナタンパク質は、ジアジノキサンチンという珍しいカロテノイドを用いており、これは赤色系藻類では一般的ですが典型的な緑色植物には見られません。さらに注目すべきは、多くのアンテナユニットがクロロフィルaの特別な対やクラスターを宿しており、その周囲の微細な環境が形状や間隔をわずかに歪めています。こうした微視的な調整により、吸収が遠赤領域へと押しやられ、ほとんどの植物アンテナの手の届かない波長を捕らえられるようになります。対になったLhcEユニットでは、赤方偏移したクロロフィル対がパートナー間の界面に近接して配置され、追加の色素はアンテナがコアに接する正確な位置に置かれています。これらの特徴が結合して、遠赤色光を効率よく捕獲し保持する低エネルギーの「シンク」部位を形成しています。

巨大な色素ネットワークを通る高速エネルギー高速道路

エネルギーが実際にどのように流れるかを調べるため、研究者らは詳細な構造に基づく計算機シミュレーションを用いました。彼らは励起された色素がスーパーコンプレックス全体で隣接する色素へエネルギーを渡す速度をモデル化しました。ネットワークは多車線の高速道路のように機能します：外側のアンテナユニットで吸収されたエネルギーは、主要なクロロフィル対や橋渡し色素を経由してPSIコアへと迅速に導かれ、通常は兆分の一秒（ピコ秒）単位で伝達されます。異なるアンテナモジュール群は部分的に別々の経路を通じてコアにエネルギーを供給しますが、いずれもアンテナ–コア界面に戦略的に配置された少数のクロロフィルに依存しており、そこで強い結合を形成します。この設計により、ユーグレナは有効な太陽光の端に近い遠赤色クロロフィルを使いながらも、非常に迅速で損失の少ないエネルギー伝達を維持できます。

進化の近道と将来の可能性

本研究は、ユーグレナのPSIが光捕集における進化的実験であることを描き出します。コアを削ぎ落とし、アンテナタンパク質を再配置し、通常は赤藻類に限られるカロテノイドを取り込み、クロロフィルの結合部位を再形成することで、ユーグレナは遠赤色光に対してコンパクトで強力な収集装置を構築しました。非専門家向けの重要なポイントは、光合成装置はかつて考えられていたよりも可塑性が高いということです：その骨格、色素、エネルギー経路は進化によって再設計され、太陽スペクトルの新たな領域を利用できるようになります。これらの手法を理解することで、暗所や赤方偏移した光をより有効に利用できる作物、藻類、人工システムの設計に道が開かれ、太陽からエネルギーを収穫する場所と効率を拡大できる可能性があります。

引用: Li, K., Qin, BY., Zhang, YZ. et al. Structure and energy transfer of a far-red–absorbing euglenophyte PSI–LhcE–LhcbM supercomplex. Nat Commun 17, 3273 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70067-1

キーワード: 光化学系I, ユーグレナ・グラシリス, 遠赤色光, 光捕集複合体, プラスチドの進化