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光合成機械の構造変動性、協調性、適応性
Structural variability, coordination and adaptation of a native photosynthetic machinery.
PMID: 32665651 DOI: 10.1038/s41477-020-0694-3.
抄録
シアノバクテリアのチラコイド膜は、光合成と呼吸電子輸送の両方の活性部位である。我々は、モデルシアノバクテリアであるSynechococcus elongatus PCC 7942を用いて、高分解能原子間力顕微鏡を用いて、チラコイド膜内の光合成複合体の固有の組織と相互作用を可視化した。チラコイド膜は不均一な膜であり、光合成複合体を機能ドメインに集合させ、その協調性と制御性を高めている。高光下では、クロロフィル結合タンパク質IsiAが強く発現し、光化学系I（PSI）と会合し、高可変性のIsiA-PSIスーパーコンプレックスを形成し、PSIの吸収断面積を増大させる。また、PSIと光化学系II（PSII）、シトクロムbf、ATP合成酵素、NAD(P)H脱水素酵素複合体との緊密な相互作用も存在する。これらの光合成スーパーコンプレックスの組織的多様性は、効率的な線形・環状電子輸送と生物エネルギーの調節を可能にしている。シアノバクテリアのチラコイド膜の組織景観と環境適応を理解することは、効率的な光合成システムや光バイオファクトリーの設計戦略に役立つかもしれません。
Cyanobacterial thylakoid membranes represent the active sites for both photosynthetic and respiratory electron transport. We used high-resolution atomic force microscopy to visualize the native organization and interactions of photosynthetic complexes within the thylakoid membranes from the model cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942. The thylakoid membranes are heterogeneous and assemble photosynthetic complexes into functional domains to enhance their coordination and regulation. Under high light, the chlorophyll-binding proteins IsiA are strongly expressed and associate with Photosystem I (PSI), forming highly variable IsiA-PSI supercomplexes to increase the absorption cross-section of PSI. There are also tight interactions of PSI with Photosystem II (PSII), cytochrome bf, ATP synthase and NAD(P)H dehydrogenase complexes. The organizational variability of these photosynthetic supercomplexes permits efficient linear and cyclic electron transport as well as bioenergetic regulation. Understanding the organizational landscape and environmental adaptation of cyanobacterial thylakoid membranes may help inform strategies for engineering efficient photosynthetic systems and photo-biofactories.