• 神奈川大学プロジェクト研究所
• 光合成水素生産研究所(理学部生物科学科井上研究室)
• Research Institute for Photobiological Hydrogen Production

永島　賢治（ながしま　けんじ）・理学博士

プロジェクト

公益財団法人東京応化科学技術振興財団 研究費助成

第28回(2014)　希少な光合成色素タンパクの大量調製技術の開発と活用

研究課題概要

光合成で光エネルギーを化学エネルギー（還元力）に変換する最も重要な成分は、光化学反応中心複合体と呼ばれるクロロフィル結合タンパク質複合体で、細胞膜中に埋め込まれています。 この光化学反応中心複合体に結合するクロロフィルは二量体を形成し、通常は強い酸化剤ですが、光励起状態では強い還元剤として働き、一連の電子伝達反応を駆動します。 フォトンあたりの量子収率はほぼ１００％です。 この効率のよいエネルギー変換は、一部光合成生物を対象にした研究により現象としてはよく知られているものの、直ちに応用できるほど化学的・物理学的な理解が進んでいません。 特殊な環境下で生育する光合成生物や、難培養性の光合成微生物など研究対象を広げ、比較する事により共通原理を見いだしていくことが理解へとつながり、ひいては工業的利用への道が開けるものと考えられます。 本研究は様々な環境下で生産される特殊で希少な光化学反応中心複合体に注目し、微量である故通常は研究に供することが難しいこれらクロロフィルタンパクを大量に生産する技術を確立することを目指します。

JSTさきがけ「光エネルギーと物質変換」領域

第2期(2011-2013)　光合成で駆動する新しい生物代謝

研究課題概要

光合成電子伝達で働くクロロフィルは基本的に強い酸化剤ですが、光エネルギーを吸収すると強い還元剤として働き、電子伝達反応を駆動するポンプとして機能 します。 本研究では、遺伝子操作によりこの光駆動ポンプからの電子流に分岐を作り出し、水素の発生や窒素酸化物の還元など生物由来のエネルギー代謝経路と 新しいリンクを作ることを目指します。 光エネルギーを利用した有用物質の生産や環境浄化を目指します。

http://www.chem-conv.jst.go.jp/researcher/02/r02nagashima.html

研究テーマ

地球上の生物のエネルギー源は、つきつめていくとそのほとんどが太陽からの光エネルギーに行き着きます。 光エネルギーを最初に取り込む反応である光合成の仕組みがどうなっているのか、 また、地球の歴史の中で光合成のシステムがどのように出現して進化してきたのだろうか。 光合成細菌を材料とした遺伝子操作と各種分光学的・生化学的手法の組合わせで研究を進めています。 このような基礎研究を通じて、エネルギー問題、環境問題、食糧問題への貢献も目指しています。

光合成は光合成反応中心複合体（単に反応中心とも言う）に結合したクロロフィルが光エネルギーを用いて高エネルギー電子を放出し、 この電子が電子伝達系を 通ることにより化学エネルギーに変換されます。 この電子伝達の経路を、進化的に重要な位置にあると思われる新発見の光合成細菌を含めいろいろな光合成細菌 で調べています。 特に、反応中心クロロフィルに電子を即座に供給するヘムｃを４つ持つチトクロムサブユニットへの電子伝達の詳細が、私たちの研究でだいぶ 明らかになってきました。 ですが、タンパク内部での電子移動の原理がまだよく解っていません。 遺伝子操作によるタンパクの改変や高速反応の測定などを組合 わせてこの謎に迫ろうとしています。

光合成生物は反応中心/電子伝達系に加えて、少ない光を捕らえ効率良くそのエネルギーを反応中心クロロフィルに伝えるシステムを必ず持っています。 また、 一方で光が強すぎる時に余ったエネルギーが有害な作用をしないようなシステムもあることが解ってきました。 これらのシステムについてもいろいろな光合成細菌について調べています。 また、このシステムの構成要素であるクロロフィルとカロテノイドにも多くの種類があり、たとえば通常のマグネシウムを持つクロロフィルの代わりに亜鉛を中心金属とするクロロフィルを持つ種もいます。 このように、いまだに新しいものが見つかっていますが、これらの光合成色素の機能の違いや生合成経路、さらにその進化について、多くの変異株を作って研究しています。

光合成細菌は酸素のない条件で光合成をするものがよく知られていますが、酸素があれば光合成をしないで酸素呼吸をしたり、もっぱら酸素呼吸をしながら条件によって光合成器官をわずかに作って補助的に光合成をおこなうものも多くいることが判ってきました。 このようなさまざま環境応答パターンについて光合成遺 伝子が具体的にどのように発現調節を受けているかについて調べています。 また、こうした環境応答を示す細菌では、光合成関連の遺伝子がまとまって大きな遺伝子クラスターを作っていることがあります。 クラスター内の遺伝子の配置や塩基配列をいろいろな光合成細菌で比較することで、光合成遺伝子の進化や種間移動がどのように起こってきたかも調べています。

最近の論文

Tatyana Laurinavichene, Masaharu Kitashima, Kenji V. P. Nagashima, Takeshi Sato, Hidehiro Sakurai, Kazuhito Inoue, Anatoly Tsygankov (2017)

Effect of growth conditions on advantages of hup-strain for H2 photoproduction by Rubrivivax gelatinosus. International Journal of Hydrogen Energy. 42. 10.1016/j.ijhydene.2016.12.074.

Takeshi Sato, Kazuhito Inoue, Hidehiro Sakurai, Kenji V. P. Nagashima (2017)

Effects of the deletion of hup genes encoding the uptake hydrogenase on the activity of hydrogen production in the purple photosynthetic bacterium Rubrivivax gelatinosus IL144. The Journal of General and Applied Microbiology. 10.2323/jgam.2017.01.003.

Kenji Nagashima, Mai Sasaki, Kanako Hashimoto, Shinichi Takaichi, Sakiko Nagashima, Long-Jiang Yu, Yuto Abe, Kenta Gotou, Tomoaki Kawakami, Mizuki Takenouchi, Yuuta Shibuya, Akira Yamaguchi, Takashi Ohno, Jian-Ren Shen, Kazuhito Inoue, Michael T. Madigan, Yukihiro Kimura, Zheng-Yu Wang-Otomo(2017)

Probing structure-function relationships in early events in photosynthesis using a chimeric photocomplex. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114. 201703584. 10.1073/pnas.1703584114.

永島賢治、嶋田敬三 (2015)

化学にとっての遺伝子操作 日本化学会編　化学の要点シリーズ第13巻　共立出版

Nagashima KVP, Vermeglio A, Fusada N, Nagashima S, Shimada K, Inoue K (2014)

Exchange and Complementation of Genes Coding for Photosynthetic Reaction Center Core Subunits among Purple Bacteria, Journal of Molecular Evolution 79, 52-62

Nagashima, S., Nagashima K. V. P. (2013)

Comparison of photosynthesis gene clusters retrieved from total genome sequences of purple bacteria. in the volume of “Genome Evolution of Photosynthetic Bacteria”. Beatty T. J. (the volume editor) included in “Advances in Botanical Research”. Jacquot J.-P. and Gadal P. (eds.), chaptor 5, pp151-178.

Nagashima, S., Kamimura, A., Shimizu, T., Nakamura-Isaki, S., Aono, E., Sakamoto, K., Ichikawa, N., Nakazawa, H., Sekine, M., Yamazaki, S., Fujita, N., Shimada, K., Hanada, S., Nagashima, K.V. (2012)

Complete Genome Sequence of Phototrophic Betaproteobacterium Rubrivivax gelatinosus IL144Journal of Bacteriology. Jul;194(13):3541-2.

Okubo, T., Tsukui, T., Maita, H., Okamoto, S., Oshima, K., Fujisawa, T., Saito, A., Futamata, H., Hattori, R., Shimomura, Y., Haruta, S., Morimoto, S., Wang, Y., Sakai, Y., Hattori, M., Aizawa, S.I., Nagashima, K.V., Masuda, S., Hattori, T., Yamashita, A., Bao, Z., Hayatsu, M., Kajiya-Kanegae, H., Yoshinaga, I., Sakamoto, K., Toyota, K., Nakao, M., Kohara, M., Anda, M., Niwa, R., Jung-Hwan, P., Sameshima-Saito, R., Tokuda, S.I., Yamamoto, S., Yamamoto, S., Yokoyama, T., Akutsu, T., Nakamura, Y., Nakahira-Yanaka, Y., Takada-Hoshino, Y., Hirakawa, H., Mitsui, H., Terasawa, K., Itakura, M., Sato, S., Ikeda-Ohtsubo, W., Sakakura, N., Kaminuma, E., Minamisawa, K. (2012)

Complete Genome Sequence of Bradyrhizobium sp. S23321: Insights into Symbiosis Evolution in Soil Oligotrophs. Microbes Environ. 27:306-15

Hirose S, Nagashima KV, Matsuura K, Haruta S. (2012)

Diversity of Purple Phototrophic Bacteria, Inferred from pufM Gene, within Epilithic Biofilm in Tama River, Japan. Microbes Environ. 27, 327-329

Vermeglio, A., Nagashima, S., Alric, J., Arnoux, P., Nagashima, K.V. (2012)

Photo-induced electron transfer in intact cells of Rubrivivax gelatinosus mutants deleted in the RC-bound tetraheme cytochrome: Insight into evolution of photosynthetic electron transport. Biochim Biophys Acta. 1817, 689-96

Kondo, M., Iida, K., Dewa, T., Tanaka, H., Ogawa, T., Nagashima, S., Nagashima, K.V., Shimada, K., Hashimoto, H., Gardiner, A.T., Cogdell, R.J., Nango, M. (2012)

Photocurrent and electronic activities of oriented-His-tagged photosynthetic light-harvesting/reaction center core complexes assembled onto a gold electrode. Biomacromolecules. 13, 432-8

永島賢治 (2011)

環境ゲノムDNAから新しい生物機能を探す, 化学 66号, 74-75

Nagashima, S., Shimada, K., Vermeglio, A., Nagashima, K.V.P. (2011)

The cytochrome c8 involved in the nitrite reduction pathway acts also as electron donor to the photosynthetic reaction center in Rubrivivax gelatinosus. Biochim. Biophys. Acta. 1807, 189-196

永島賢治 (2010)

解説特集「光合成細菌　研究材料としての魅力」, 光合成研究　20, 77-117

永島賢治（2009）

シトクロム(Soluble cytochromes c and HiPIP in purple photosynthetic bacteria)光合成研究法, 第3章. 北海道大学低温科学研究所, 日本光合成研究会共編, 低温科学, 67, 223-225 http://hdl.handle.net/2115/39149

永島賢治（2009）

酸化還元滴定(Redox titration for electron transfer proteins)光合成研究法, 第4章. 北海道大学低温科学研究所, 日本光合成研究会共編, 低温科学, 67, 545-550 http://hdl.handle.net/2115/39190

Ohmine, M., Matsuura, K., Shimada, K., Alric, J., Vermeglio, A., Nagashima, K.V.P. (2009)

photosynthetic electron transfer system in the purple bacterium, Rubrivivax gelatinosus. Biochemistry 48, 9132-9139

Tsukatani, Y., Nakayama, N., Shimada, K., Mino, H., Itoh, S., Matsuura, K., Hanada, S., Nagashima, K.V.P. (2009)

Characterization of a blue-copper protein, auracyanin, of the filamentous anoxygenic phototrophic bacterium Roseiflexus castenholzii. Arch. Biochem. Biophys. 490, 57-62

永島賢治(2007)

紅色光合成細菌における反応中心への電子供与体の多様性. 光合成研究 17, 29-35

Kimura, Y., Alric, J., Vermeglio, A., Masuda, S., Hagiwara, Y., Matsuura, K., Shimada, K. and Nagashima, K.V.P. (2007)

A new membrane-bound cytochrome c works as an electron donor to the photosynthetic reaction center complex in the purple bacterium, Rhodovulum sulfidophilum. J. Biol. Chem. 282, 6463-6472

Tomii, T., Shibata, Y., Ikeda, Y.,Taniguchi, S., Haik, C., Mataga, N., Shimada, K. and Itoh, S. (2007)

Energy and electron transfer in the photosynthetic reaction center complex of Acidiphilium rubrum containing Zn-bacterio-chlorophyll a studied by femtosecond up-conversion spectroscopy. Biochim. Biophys. Acta　1767, 22-30

Alric, J., Lavergne, J., Rappaport, F., Vermeglio, A., Matsuura, K., Shimada, K. and Nagashima, K.V.P. (2006)

Kinetic performance and energy profile in a roller coaster electron transfer chain: a study of modified tetraheme-reaction center constructs. J. Am. Chem. Soc. 128, 4136-4145

Yamada, M., Zhang, H., Hanada, S., Nagashima, K.V.P., Shimada, K. and Matsuura, K. (2005)

Structural and spectroscopic properties of a reaction center complex from the chlorosome-lacking filamentous anoxygenic phototrophic bacterium Roseiflexus castenholozii. J. Bacteriol. 187, 1702-1709

Kimura, Y., Matsuura, K., Alric, J., Vermeglio, A., Masuda, S., Shimada, K. and Nagashima, K.V.P. (2005)

Membrane-bound cytochrome c (100 kDa) working as an electron donor to the reaction center in the purple bacterium, Rhodovulum sulfidophilum. in 13th International Congress on Photosynthesis (Bruce, D. and van der Est, A., eds), Allen Press, Montreal, Vol1, pp323-324

Nagashima, K.V.P., Alric, J., Matsuura, K., Shimada, K. and Vermeglio, A. (2005)

Changes in midpoint potentials of hemes by SD-mutagenesis in RC-bound tetraheme cytochrome of Blastochloris viridis. in 13th International Congress on Photosynthesis (Bruce, D. and van der Est, A., eds), Allen Press, Montreal, Vol1, pp325-326

Alric, J., Tsukatani, Y., Yoshida, M., Matsuura, K., Shimada, K., Hienerwadel, R., Schoepp-Cothenet, B., Nitschke, W., Nagashima, K.V.P., Vermeglio, A. (2004)

Structural and functional characterization of the unusual triheme cytochrome bound to the reaction center of Rhodovulum sulfidophilum. J. Biol. Chem. 279, 26090-26097

Alric, J., Yoshida, M., Nagashima, K.V.P., Hienerwadel, R., Parot, P., Vermeglio, A., Chen, S.W., Pellequer, J.L. (2004)

Two distinct binding sites for high potential iron-sulfur protein and cytochrome c on the reaction center-bound cytochrome of Rubrivivax gelatinosus. J. Biol Chem. 279, 32545-32553

Alric, J., Cuni, A., Maki, H., Nagashima, K.V.P., Vermeglio, A., Rappaport, F. (2004)

Electrostatic interaction between redox cofactors in photosynthetic reaction centers. J. Biol. Chem. 279, 47849-47855

Tsukatani, Y., Matsuura, K., Masuda, S., Shimada K., Hiraishi A. and Nagashima, K.V.P. (2004)

Phylogenetic distribution of unusual triheme to tetraheme cytochrome subunit in the reaction center complex of purple photosynthetic bacteria. 　Photosynth. Res. 79, 83-91

Maki, H., Matsuura, K. Shimada, K. and Nagashima, K.V.P. (2003)

Chimeric photosynthetic reaction center complex of purple bacteria composed of the core subunits of Rubrivivax gelatinosus and the cytochrome subunit of Blastochloris viridis. J. Biol. Chem. 278:3921-3828.

Masuda, S., Tsukatani, Y., Kimura, Y., Nagashima, K.V.P., Shimada, K. and Matsuura, K. (2002)

Mutational analyses of the photosynthetic reaction-center-bound triheme cytochrome subunit and cytochrome c2 in the purple bacterium, Rhodovulum sulfidophilum. Biochemistry 41: 11211-11217.

Nagashima, S., Shimada, K., Matsuura, K. and Nagashima, K.V.P. (2002)

Transcription of three sets of genes coding for core light-harvesting proteins in the purple sulfur bacterium, Allochromatium vinosum. Photosynth. Res. 74, 269-280

Nagashima, K.V.P., Matsuura, K., Shimada, K. and Vermeglio, A. (2002)

High-potential iron-sulfur protein (HiPIP) is the major electron donor to the reaction center complex in photosynthetically growing cells of the purple bacterium, Rubrivivax gelatinosus.　Biochemistry 41, 14028-14032.

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