能否人为控制光合成？ 阐明了光合活性随脂肪酸变化的结构

能否人为控制光合成？ 阐明了光合活性随脂肪酸变化的结构

1 .主讲人: 神晴彦(东京大学研究生院综合文化研究科广域科学专业助教) 爱知真木子(中部大学应用生物学部应用生物化学科副教授) 2 .发表要点: ◆作为阻碍微藻和植物光合活性的物质，已知微藻自身产生的脂肪酸中含有的多价不饱和脂肪酸(注1 )，这次解释了其阻碍作用的分子机制。 ◆研究表明，游离的多元不饱和脂肪酸特异地进入光合作用场所类囊体膜(注2 )中的主要磷脂类磷脂酰甘油，使光合装置不稳定失活。 ◆本研究成果可以有助于利用光合微藻生产生物柴油等生物燃料的增产。 另外，脂肪酸是在环境中容易被生物分解的物质，因此有望作为环境负荷低的农药和藻类防治药。

3 .发表概要: 脂肪酸是生物柴油的原料。 由于以世界脱碳社会为目标的机会，以美利坚合众国和日本为中心，利用光合微藻生产脂肪酸的研究正在盛行。 但是，由于微藻自身产生的脂肪酸中含有的多元不饱和脂肪酸阻碍了光合作用，因此成为了增产的大课题。 东京大学研究生院综合文化研究科的神保晴彦助教、和田原教授、中部大学应用生物学部的爱知真木子副教授等人挑战阐明脂肪酸阻碍光合作用的分子机制。 光合作用转换光能，向细胞内提供能量。 虽然已知脂肪酸会阻碍光合作用，但还不清楚是通过什么样的分子机制阻碍。 本研究着眼于光合作用受到过剩的光能时失活的现象(光阻碍)，分析了强光下脂肪酸对光合作用的影响。 结果表明，脂肪酸中具有2个以上双键的多元不饱和脂肪酸被特定的膜脂质摄取，从而阻碍光合活性。 本研究成果不仅有助于作为生物燃料原料的脂肪酸的增产，还期待着创造以多价不饱和脂肪酸为基础的农药、赤潮和蓝藻的防治药等环境负荷低的功能性分子。

4 .发表内容: 光合作用利用光能分解水，利用在此过程中获得的能量固定空气中的二氧化碳。 结果，产生的碳水化合物和氧气不仅支撑着人，还支撑着地球上几乎所有生物的生存。 近年来，对全球变暖的担忧急速增加，为了实质上杜绝二氧化碳的排放，光合微藻被广泛利用。 脂肪酸是合成生物细胞内储存的脂肪和构成细胞的生物膜的主要成分——膜脂质所必需的物质，在生物体内起着极其重要的作用，但也是生物柴油的原料，因此生产研究尤为盛行。 迄今为止，美国和日本也投入了相当多的研究费进行开发，但生产出的脂肪酸阻碍光合作用成为了大课题，不能推进增产。 另外，虽然明确了脂肪酸会阻碍光合生物的生长，但是关于其分子机制还不清楚。

因此，东京大学研究生院综合文化研究科的神保晴彦助教、和田原教授、中部大学应用生物学部的爱知真木子副教授等人挑战了阐明脂肪酸阻碍光合作用的分子机制。 在与光合作用相关的光合装置(超分子复合体)中，负责水分解反应的光化学系II(PSII )复合体(注3 )如果受到过多的光能，也会失去活性( PSII光阻碍) (注4 )。 本研究着眼于脂肪酸在PSII光抑制中的影响。

脂肪酸根据烃链的链长和双键的数位结合方式有很多种，因此，作为光合微藻的一种的蓝藻(注5 )所含的碳原子数18的脂肪酸中，将双键的数位结合方式不同的6种脂肪酸分别加入细胞培养液，分析了强光下对光合作用的影响。结果表明，加入具有2个以上双键的多元不饱和脂肪酸时，在强光下PSII的稳定性下降，放氧复合体崩溃，活性迅速下降。 另外，用薄层色谱法和气相色谱法分析了α-亚麻酸作为多元不饱和脂肪酸的一种，被细胞摄取到哪个膜脂质中。 蓝藻和植物细胞的叶绿体类囊体膜，含有3种糖脂和1种磷脂，共计4种膜脂质。 发现摄入的α-亚麻酸会特异性地进入磷脂酰甘油( PG )的sn-2位置(图1 )。 进而，在将脂肪酸摄入膜脂质时发挥作用的酰基-ACP合成酶的缺失变异株中，即使在强光下也不会发生α-亚麻酸对PSII的阻碍，因此明确了向PG的特异性摄入是多元不饱和脂肪酸阻碍PSII活性的主要原因。 由上可知，α-亚麻酸等多元不饱和脂肪酸特异性地进入类囊体膜中的PG的sn-2位，结合了产生的多元不饱和脂肪酸的PG分子种使PSII不稳定，使产氧复合体崩溃，由此在强光下使PSII的活性迅速降低。

本研究成果提示，生产脂肪酸时，重要的是要考虑哪些脂肪酸在细胞内产生。 因此，使用光合生物生产脂肪酸时，抑制多价不饱和脂肪酸的生产，抑制脂肪酸进入PG，期待对生物燃料的增产有很大的贡献。 另外，脂肪酸在环境中具有通过微生物的作用而被分解的特性，因此以脂肪酸为基本骨架，也期待着对开发残留少、环境负荷低的新型农药、赤潮和蓝藻的防治药等有所帮助。 今后，将以开发能够更有效控制光合作用的新型脂肪酸分子种类为目标。

本研究由日本学术振兴会科学研究费资助事业青年研究“光合作用修复中的脂质代谢机制的阐明”(研究代表者:神保晴彦、19K16161 )、 国立研究开发法人科学技术振兴机构( JST ) ACT-X“环境与生物技术”研究领域中的“利用化学生物学进行光合作用的活性控制机构的阐明”(研究代表者:神保晴彦、JPMJAX20B7 )、 在未来社会创造事业“实现全球规模课题——低碳社会”领域的“混合法生物燃料生产的高效化和稳定化”(研究开发代表者:小俣达男，JPMJMI17EE )的支持下进行的。

５．発表雑誌：

杂志名称:International Journal of Molecular Sciences（9 月 28 日出版）

论文标题:Specific incorporation of polyunsaturated fatty acids into the sn-2 position of phosphatidylglycerol accelerates photodamage to photosystem II under strong light 作者：Haruhiko Jimbo*, Koki Yuasa, Kensuke Takagi, Takashi Hirashima, Sumie Keta, Makiko Aichi, Hajime Wada*

DOI 编号:10.3390/ijms221910432

6 .咨询处: <有关研究的事情> 东京大学研究生院综合文化研究科广域科学专业助教神保晴彦 03-5454-6628E-mail：hjimbo[at]bio.c.u-tokyo.ac.jp中部大学应用生物学系应用生物化学科 准教授爱知真木子 0568-51-6194E-mail：makiko[at]isc.chubu.ac.jp<新闻负责人> 中部大学学园宣传部宣传科 0568-51-7638E-mail：cuinfo[at]office.chubu.ac.jp科学技术振兴机构宣传科 03-5214-8404传真: [phone]E-mail：jstkoho[at]jst.go.jp<关于JST事业的事情> 科技振兴机构战略研究推进部先进融合研究组 前田小子 03-6380-9130传真: [phone]E-mail：act-x[at]jst.go.jp

7 .用语解说: (注1 )脂肪酸 脂肪酸具有烃基结合在烃链上的结构，是所有生物必须的物质。烃链根据链的长度双键的数量及其结合方式(顺式)修饰，有着多样的分子结构。 具有双键的脂肪酸称为不饱和脂肪酸，其中特别是具有2个以上双键的脂肪酸称为多元不饱和脂肪酸。

(注2 )类囊体膜 在蓝细菌和植物细胞的叶绿体中，存在着作为光合作用场所的类囊体膜，该膜由结合糖的3种糖脂和结合磷的1种磷脂组成。 我们知道，类囊体膜中唯一存在的主要磷脂磷脂磷脂酰甘油是光合作用功能所必需的。

(注3 )光化学体系II(PSII )复合体 光合成可以分为利用光能产生能量的反应(光合电子传递反应)和固定二氧化碳的反应(二氧化碳固定反应)。 PSII复合体在光合电子传递反应中，承担着分解水，提取电子的作用。 另外，PSII复合体担负的过程称为PSII。

(注4 )光化学系统II(PSII )的光阻碍 PSII对光的敏感性很高，但另一方面容易失活。 虽然尚不清楚PSII失活的分子机理，但可以认为进行水分解的场所——氧气发生复合体破坏，以及承担之后电子传递的D1这种蛋白质破坏。 通常，损坏的PSII会在细胞内迅速修复，但如果修复速度来不及就早早损坏，则会引起PSII活性的降低。

(注5 )蓝藻 蓝藻是进行产氧型光合作用的原核生物。 一般认为，约27亿年前诞生的细菌祖先通过光合作用使地球氧气浓度上升，从而促进了进行氧气呼吸的真核生物的诞生和生物进入陆地。

8 .附件

图1.α-亚麻酸特异性地进入PG的sn-2中，引起光合复合体的不稳定和失活。