化学合成自栄養生物における膜電位結合ベクトル的CO₂加水分解の構造基盤：DAB2複合体

微生物が炭素を閉じ込めるしくみ

海洋や硫黄に富む堆積物の中には、無機化学物質と二酸化炭素だけで生きる微生物が潜んでいます。本研究は、そのような細菌群の一つがDAB2複合体と呼ばれる小さな分子機械を使って周囲からCO₂を取り出し、細胞が利用できる形に変換する仕組みを明らかにします。この自然の炭素ポンプを理解することは、気候科学の基礎に重要であり、将来的には環境からCO₂を回収する新しい方法にヒントを与える可能性があります。

微視的な炭素ポンプ

多くの微生物は溶存無機炭素、すなわち水中のCO₂とそれに近縁の分子群を材料にして体を作ります。彼らは遅い酵素RuBisCOに依存してCO₂を有機化合物に付加しますが、RuBisCOは反応速度が遅く、容易に妨げられます。そこで多くの微生物は、RuBisCOが働く場所に利用可能な炭素を濃縮して蓄えるCO₂濃縮機構を進化させてきました。これらのシステムは光合成性シアノバクテリアでよく知られていますが、硫黄などの無機物を酸化することでエネルギーを得る化学合成自栄養細菌（chemolithoautotrophs）はいまだ謎が多いです。以前の研究は、DACと総称される膜複合体ファミリーが、炭素が乏しい条件でこれらの細菌の成長を助けることを示していました。ハロチオバチルス・ネアポリタヌス由来のDAB2は、そのような系の一例で、炭素飢餓のE. coliを回復させることができ、細胞内に無機炭素を能動的に蓄積していることを示唆していました。

3次元で明らかになったDAB2複合体

研究者たちは高解像度クライオ電子顕微鏡を用いて、膜様環境に埋め込まれたDAB2複合体の構造を決定しました。DAB2は二部構成の機械であることが判明しました。膜の内側に位置する上部の可溶性タンパク質（DabA2）と、脂質二重膜を貫通してチャネルを形成する下部の膜貫通タンパク質（DabB2）です。DabA2は既知の炭酸脱水酵素に似ていますが、その構造は大きく改変されています。2つの関連する触媒ドメインをもち、さらに独自の膜貫通する“フィンガー”がDabB2にまで伸びています。一方DabB2は、呼吸鎖複合体Iのプロトン伝導サブユニットに類似した特徴を示します。この組合せは、DAB2が炭素処理の中心をプロトン駆動のエネルギー源に結びつけていることを示唆します。

ゲート付きトンネルを備えた隠れた反応室

DabA2を詳しく見ると、深く埋まったポケットの中心に単一の亜鉛イオンがあり、そこがCO₂と重炭酸イオンの結合部位であることが分かりました。教科書的な炭酸脱水酵素とは異なり、この活性部位には通常反応の遷移状態を安定化する重要なアミノ酸が欠落しています。この部位へは狭く曲がりくねったトンネルを通ってしか到達できず、トンネルの内面は主に疎水性残基で覆われています。構造解析と赤外分光法を組み合わせた実験により、このポケットは複数のCO₂分子を強く結合できる一方で、それ自体では速やかにそれらを重炭酸イオンに変換するわけではないことが示されました。トンネルの厳密な幾何学はボトルネックを作り、制御された開閉が必要なゲートとして働き、いつCO₂が入るか、いつ重炭酸が出るかを規制している可能性があります。

プロトンの力と一方通行の輸送

DabB2の構造と一連の標的変異の解析は、DabB2が膜を横切るプロトン（正に帯電した水素イオン）の経路を形成していることを示しています。電荷を持つ重要な残基や極性残基が整列してプロトン移動の連続経路を作り、呼吸複合体に見られる“水のワイヤー”を彷彿とさせます。DabA2から伸びる異例のヘリカルな伸張部は、第二のハーフチャネルが予想される位置のDabB2に差し込むように収まり、プロトンの出口を形成するのを助けているようです。経路上の特定残基を破壊すると、タンパク質は産生されていてもDAB2は炭素飢餓のE. coliの成長を支えられなくなりました。追加の実験は、DAB2がナトリウム勾配には依存せず、一部の病原体に見られる類縁複合体と異なり、膜のプロトン駆動力によって純粋に駆動されていることを示しました。

細胞内炭素の一方通行バルブ

これらの発見を総合して、著者らはDAB2をベクトル的炭酸脱水酵素──プロトン流と厳密に結合した一方通行のCO₂加水分解装置であると提案します。彼らのモデルでは、系が“閉”状態の休止状態にあるときにCO₂と水は埋められた活性部位に滑り込めますが、トンネルの形状と立体障害により重炭酸イオンが戻ることは妨げられ、逆反応がブロックされます。膜を横切るプロトン勾配が存在すると、プロトンがDabB2を通って移動し、DabA2の“フィンガー”を介して伝わると考えられる微妙な構造変化を誘導します。これらの変化がトンネルを開き活性部位を再編成して、CO₂が効率的に重炭酸に変換され細胞内へ放出される一方で、プロトンは膜を横断して運ばれます。この設計により化学合成自栄養細菌は炭素取り込みをエネルギー状態に直接結びつけ、プロトン駆動力が十分にあるときにのみCO₂捕捉が進むことを保証します。本研究はDAB2をプロトン駆動型の炭素変換機械ファミリーの試作例として位置づけ、微生物が自らの微視的な炭素ポンプを構築する多様な手法の理解を広げます。

引用: Lo, Y.K., Seletskiy, M., Bohn, S. et al. Structural basis of membrane potential coupled vectorial CO₂ hydration by the DAB2 complex in chemolithoautotrophs. Nat Commun 17, 4071 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72558-7

キーワード: 二酸化炭素取り込み, 化学合成自栄養生物, 炭酸脱水酵素, プロトン駆動力, 膜タンパク質の構造