研究者たちは、自然の最も重大なイノベーションの 1 つである光合成の起源を、これまでで最もよく垣間見ることができました。アリゾナ州立大学とペンシルバニア州立大学の研究チームは、原始細菌のタンパク質を原子レベルに近い高解像度の X 線画像で撮影することにより、約 35 億年前に光合成がどのように行われていたかを推測しました。彼らの発見が正しければ、生命が太陽光を化学エネルギーに変換するために使用するプロセスの進化の歴史を書き換える可能性があります。
光合成は、地球上のほぼすべての生物に直接的または間接的に力を与え、維持しています。それは私たちの大気の構成を担っており、地球の多くの織り交ぜられた生態系の基盤を形成しています.さらに、パリにあるフランス国立科学研究センター (CNRS) の生物学者である Wolfgang Nitschke が指摘したように、光合成は細胞を解放し、新しい無尽蔵の地球外の源からエネルギーを引き出すことによって、細胞を無限に成長および進化させました。 「光合成が視野に入ると、生命は宇宙につながりました」と彼は言いました。
科学者たちは、何がそれを可能にしたのかを解明したいと考えています。現在の形では、光合成で光エネルギーを化学エネルギーに変換する機構 (反応中心と呼ばれるタンパク質複合体) は信じられないほど洗練されています。しかし証拠は、生命の木の根元にまでさかのぼるそのデザインが、かつては非常に単純だったことを示唆しています。研究者たちは何十年もの間、光合成がどのように (そしてなぜ) 進化したかを理解する上で、その巨大なギャップを埋めようとしてきました.
そのために、彼らは既存の生物に注目しました。緑の植物、藻類、および一部のバクテリアが光合成に使用する反応の分子の詳細を研究し、それらの間の進化的関係を分析することにより、科学者はプロセスの説得力のある歴史的物語をつなぎ合わせようとしています.
最新の重要な手がかりは、ヘリオバクテリウム モードティカルダム から来ています 、最も単純な既知の光合成細菌であるという特徴があります。研究者によると、その反応中心は元の複合体に最も近いものです。アリゾナ州立大学の生物学者であるケビン・レディング、ライムンド・フロム、クリストファー・ジスリエルがペンシルベニア州立大学の同僚と協力して、そのタンパク質複合体の結晶構造をScienceの7月号で発表して以来、 、専門家は、光合成の進化にとってそれが何を意味するのかを正確に解明してきました. 「それは本当に過去への窓です」と Gisriel は言いました。
「これは私たちが 15 年間待ち望んでいたことです」と Nitschke 氏は述べています。
共通の祖先を探して
当初、ほとんどの科学者は、今日の光合成生物に見られるすべての反応中心が単一の共通の祖先を持つ可能性があるとは信じていませんでした。確かに、すべての反応センターは光からエネルギーを収集し、細胞にとって化学的に有用な形で化合物に閉じ込めます。これを行うために、タンパク質は一連の飛び石に沿ってスキップするかのように、膜内の分子の伝達チェーンに沿って電子を渡します。各ステップで放出されるエネルギーは、最終的には細胞のエネルギー担体分子を作るために使用されます。
しかし、機能と構造に関しては、光化学反応中心はほぼすべての点で異なる 2 つのカテゴリーに分類されます。光化学系 I は主にエネルギー キャリア NADPH を生成する役割を果たしますが、光化学系 II は ATP を生成し、水分子を分割します。それらの反応中心は、さまざまな光吸収顔料を使用し、スペクトルのさまざまな部分を吸収します。電子は、それぞれの反応中心を異なる方法で流れます。そして、反応中心のタンパク質配列は互いに何の関係もないようです.
両方のタイプの光化学系が緑の植物、藻類、シアノバクテリアで一緒になって、特に複雑な形の光合成 — 酸素発生型光合成 — を行い、エネルギー (ATP と炭水化物の形で) と、多くの細胞にとって有毒な副産物である酸素を生成します。残りの光合成生物はすべてバクテリアであり、どちらか一方の反応中心のみを使用します。
つまり、1990 年代初頭にこれらの反応中心の結晶構造が出現し始めるまでは、2 つの進化ツリーに従うように思われました。その後、研究者は、光化学系 I と II の反応中心が共通の起源を持っているという否定できない証拠を見ました。センターの特定の作業コンポーネントは、進化中にいくつかの置換を受けたように見えましたが、それらのコアの全体的な構造モチーフは保存されていました.インペリアル カレッジ ロンドンの太陽エネルギーの生化学の教授である Bill Rutherford は、次のように述べています。
「自然は、反応センターの機能の一部を変更し、それが機能するメカニズムを変更するために小さなゲームをプレイしました」とレディングは付け加えました. 「しかし、戦略を書き直したわけではありません。それは、型にはまった家を設計し、同じ家を何度も建てて、部屋の配置や家具の配置を変えるようなものです。同じ家ですが、中の機能が違います。」
研究者は、反応センター間のより詳細な比較を開始し、それらの関係とそれらがどのように分岐したかについての手がかりを探しました.ヘリオバクテリアは、彼らをその目標に数歩近づけました.
昔を思い出す
1990 年代半ばにアイスランドの温泉周辺の土壌で発見されて以来、H.控えめなダム は、光合成パズルの興味深いピースを研究者に提示しました。何百もの種と属を持つ家族の中で唯一の光合成細菌であるヘリオバクテリアの光合成装置は非常に単純です.2008年に配列が決定されたとき、それはさらに明らかになりました.「その遺伝学は非常に合理化されています.カレッジ・ロンドン。
ヘリオバクテリアは完全に対称的な反応中心を持ち、ほとんどのバクテリアに見られるクロロフィルとは異なる形のバクテリオクロロフィルを使用し、他の光合成生物ができるすべての機能を実行することはできません.たとえば、彼らは二酸化炭素を炭素源として利用できず、酸素にさらされると死んでしまいます。実際、ヘリオバクテリアを酸素から隔離しておく技術的な難しさもあって、その構造を得るのに7年近くかかりました。 「私たちが最初にそれに取り組み始めたとき、」と Redding 氏は言いました。
まとめると、「ヘリオバクテリアは、植物や他の生物が持つ非常に洗練されたシステムと比較して、驚くほど単純な組織を持っています」と、セントルイスのワシントン大学の光合成研究の第一人者であるロバート・ブランケンシップは言いました. 「これは、進化の初期の時代を思い起こさせます。」
その対称性やその他の特徴は、「かなり削ぎ落とされたものを表しています」と、レディング氏は付け加えました。
過去を垣間見る
結晶化した反応中心の画像を注意深く撮影した後、研究チームは、反応中心が正式にはタイプ I に分類されているものの、2 つのシステムのハイブリッドのように見えることを発見しました。 「私たちが思っていたよりも光化学系 I に似ていません」と Redding 氏は言います。 Gisriel によれば、「タイプ 1.5」と呼ぶ人もいるかもしれません。
その結論の理由の 1 つは、光合成反応中心で電子の移動を助けるキノンと呼ばれる脂っこい分子に関係しています。これまでに研究されたすべての反応中心は、結合したキノンを電子移動プロセスのある時点で中間体として使用します。光化学系 I では、両側のキノンがしっかりと結合しています。光化学系 II では、片側はしっかりと結合していますが、反対側は緩く結合しています。しかし、ヘリオバクテリウムの反応センターではそうではありません。レディング、フロム、ジスリエルは、電子伝達鎖の飛び石の中に永続的に結合したキノンをまったく見つけませんでした。これはおそらく、そのキノンが電子の受け取りに関与しているにもかかわらず、可動性があり、膜を通って拡散できることを意味します.よりエネルギー効率の高い別の分子が利用できない場合、システムはそれらに電子を送る可能性があります。
この発見は、研究チームが初期の反応センターが何をしていたのかを推測するのに役立ちました. 「彼らの仕事はモバイルキノンを減らす可能性が高い」とレディングは言った. 「しかし、彼らはそれについてあまり良い仕事をしていませんでした。」研究者のシナリオでは、緊密に結合したキノン部位はより最近の適応であり、今日のタイプ I およびタイプ II 反応センターは、祖先システムのずさんで理想的ではないシステムを改善するための、生物の異なる系統によって受け入れられた代替の進化戦略を表しています。
「でも問題は、なぜ 自然はこの種の電子伝達系を変えたのでしょうか?」フロムが尋ねた。彼の研究は、それが酸素と関係があるかもしれないという仮説を支持しています.
生物が過度の光にさらされると、電子が伝達連鎖に蓄積します。酸素が周囲にある場合、この蓄積は有害な活性酸素状態につながる可能性があります.複合体にしっかりと結合したキノンを追加すると、潜在的な交通渋滞に対処するための追加のスロットが提供されるだけではありません。この分子は、伝達鎖で使用される他の分子とは異なり、有害な形の酸素を生成するリスクもありません。反応中心が非対称になった理由についても同様の説明が成り立つ、と Gisriel は付け加えた:そうすることで、より多くの飛び石も追加され、過剰な電子の蓄積によって引き起こされる損傷に対して同様に緩衝されたであろう.
研究者の次のステップの 1 つは、この非対称性とこれらの緊密に結合したキノンが出現したときのタイム スタンプを付けることです。これは、酸素発生型光合成がいつ可能になったかを判断するのに役立ちます。
すべての道は酸素に通ず
最近の研究には関与していないが、その結果の解釈を始めたカルドナは、ヘリオバクテリウム反応センターにヒントを見つけたのではないかと考えている.彼によると、複合体は、最初の目的ではなかったとしても、後に光合成中に酸素を生成するのに役立つ構造要素を持っているようです.彼は、ヘリオバクテリアの構造におけるカルシウムの特定の結合部位が、光化学系 II のマンガン クラスターの位置と同一であることを発見しました。これにより、水の酸化と酸素の生成が可能になりました。
「祖先の [カルシウム] サイトが後の段階でマンガン クラスターに変化した場合、それは水の酸化がタイプ I とタイプ II の反応中心の間の分岐における最も初期のイベントに関与していたことを示唆している」と Cardona は述べた。これは、酸素発生型光合成が予想よりもはるかに古いことを意味します。科学者たちは一般に、地球の大気中に酸素が蓄積し始め、23 億から 25 億年前に大量絶滅を引き起こした大酸素化イベントの直前に、酸素発生型光合成が出現したと考えてきました。カルドナが正しければ、光合成が始まって間もなく、10 億年近く早く進化した可能性があります。
そのタイミングは、酸素発生型光合成を実行する最初の生物として一般的に信じられているシアノ バクテリアよりも早い時期だったでしょう。カルドナによれば、多くのバクテリアがそれを行うことができたのかもしれませんが、突然変異、分岐、およびその他のイベントの後、シアノバクテリアだけがその能力を保持していた. (カルドナは今年、この仮説の他の分子的証拠を引用した論文を発表しました。彼は、査読のためにカルシウムを含む潜在的な関連性についてまだ正式に議論を提示していませんが、彼のウェブサイトと科学ネットワークのブログ投稿でその考えについて書いています。研究者向けのサイトであり、彼は最近、それに関する論文に取り組み始めました。)
この仮説は、光合成の起源について広く支持されている考えの 1 つと矛盾しています。つまり、光合成ができない種が、他の生物から横方向に受け継がれた遺伝子によって、光合成能力を突然獲得したというものです。カルドナによると、新しい発見に照らして、水平遺伝子伝達と遺伝子喪失の両方が反応中心の多様化に役割を果たした可能性がありますが、彼は後者が最も初期のイベントの原因であった可能性があると疑っています.この発見は、「バランスが遺伝子喪失仮説に偏っている」ことを示唆している可能性があり、光合成は祖先の特徴であり、一部のバクテリアのグループが時間の経過とともに失ったという考えに傾いている.
誰もがそう確信しているわけではありません。たとえば、ブランケンシップは懐疑的です。 「私はそれを買わない」と彼は言った。 「酸素発生型光合成がそれほど早く起こったことを示唆するデータはここにはありません。」彼にとって、レディング、フロム、および彼らの共同研究者による研究は、これらの質問に答えていません。何が起こったのかについて推測しただけです。このパズルを解くには、科学者は他のバクテリアの反応中心構造を必要とし、構造の相違点と類似点を評価し続けて進化ツリーのねじれた根を改良することができます。
「[カルドナ] が言っていることが正しい可能性は完全にあると思います」とジスリエルは言いました。 」
合成ルートに入る
一部の研究者は、次の構造の発表を待っていません。結局、これには7年かかりました。代わりに合成実験を行っています。
たとえば、ラザフォードと彼の同僚は、「逆進化」技術を使用しています。彼らは、ミッシングリンク反応センターの配列を予測し、レディングのような構造情報を使用してそれらの構造を理解することを望んでいます。次に、仮説上の祖先配列を合成し、それらがどのように進化したかをテストする予定です。
一方、レディングと彼のチームは、ヘリオバクテリアの対称反応中心を非対称反応中心に人工的に変換し始めたところです。別のタイプの光合成細菌でこれを行っている10年よりも。これらのグループは、自分たちの研究が、これらの適応が遠い過去の実生活でどのように発生したかを明らかにすると信じています.
20 年前、ニチケは光合成の進化に関する研究をやめ、他の問題に注意を向けました。 「とても絶望的だった」と彼は言った。しかし、レディング、彼のチーム、およびこれらの他のグループによって行われた研究は、それらの野心を再燃させました. 「彼らが言うように、あなたの初恋はいつもあなたと共にあります」とニチケは言いました。 「私はこの新しい構造にとても興奮しており、このすべてについてもう一度考え直すつもりです。」
