A hydrogenase-like activity associated with mitochondrial Complex I under hypoxia in vascular plants

数十年にわたり、生物学者は植物も動物と同様に、食物をエネルギーに変えるために複雑な内部ネットワークに依存していることを知ってきました。このプロセスには通常、細胞が効率的に燃料を燃焼させるための最終ステップとして機能する酸素が必要です。しかし、植物の根が水に浸かっているときのように酸素が不足すると、この標準的なシステムは停滞します。電子を受け取るための酸素がないと、細胞のエネルギー機構はバックアップ（停滞）するリスクがあり、植物にダメージを与える可能性のある化学信号の危険な交通渋滞を引き起こします。60年以上にわたり、科学者たちは、このような低酸素条件下において、高等植物が微量の分子状水素ガスを放出することを観察してきました。しかし、このガスの発生源は謎のままでした。問いは、単にそのガスがどこから来るのかということだけでなく、水素を生成する細菌特有の酵素を持たない植物細胞が、いかにしてそれを生成できるのかということでした。このメカニズムを理解することは、空気が必要な状況下で、植物がいかにしてストレスに対処し、内部の化学バランスを管理しているかを明らかにするため、極めて重要です。

研究チームは現在、この捉えどころのない水素生成を、植物細胞内の特定の場所、すなわちエネルギーを生み出す発電所であるミトコンドリアへと突き止めました。緑豆の若い暗所育ちの苗を研究することで、科学者たちは、これらの組織を低酸素かつ弱酸性の環境に置くと、水素ガスが蓄積し始めることを見出しました。この活動は無作為なものではなく、植物の呼吸システムの中心的な構成要素である、Complex I（複合体I）として知られる巨大なタンパク質マシンと密接に関連していました。研究者がComplex Iを阻害する化学物質を加えると、水素の生成はほぼ即座に停止しました。さらなるテストにより、このプロセスは、電子を運ぶ分子のプールや、通常酸素が連鎖に進入する最終段階に関わる、エネルギーシステム内の他の部分を通る電子の流れに依存していることが示されました。データは、植物がNADHと呼ばれる分子を生成するような特定の燃料源を使用して、この反応を駆動していることを示唆していました。

最も驚くべき発見は、生成される水素の規模の大きさでした。植物組織によって生成される水素ガスの量は、細胞内に一瞬存在する燃料分子であるNADHの総量をはるかに上回っていました。実際、累積的な水素の出力は、測定されたNADHのプールよりも約100倍も大きかったのです。この不一致は、植物が単に静的な燃料の備蓄を使い果たしているのではないことを示唆していました。むしろ、細胞は資源を絶えずリサイクルしているのです。研究者たちは、2つのバージョンのComplex Iマシンが連携して働くモデルを提唱しています。一方のバージョンである成熟した形態は、通常はエネルギーを必要とするものの、ここでは他の化学物質の蓄積によって駆動される、電子を逆方向に移動させるプロセスを通じて燃料供給を再生するのを助けます。もう一方のバージョンである、同じマシンのわずかに異なる、あるいは再構築された状態は、安全弁として機能します。それは再生された燃料を取り込み、水素ガスを生成するために使用され、事実上、化学的な交通渋滞を解消し、ダメージを防ぐのです。

このメカニズムは、植物が有害な副産物を生成することなく、いかにしてストレスに対処しているかについて、新たな説明を提供します。動物においては、電子をエネルギー機構の中で強制的に逆方向に移動させると、細胞にダメージを与える不安定な分子である活性酸素種が生成されることがよくあります。研究者たちは、これらの電子を水素ガスへと転換することで、植物がこの危険な蓄積を回避しているのではないかと示唆しています。水素生成は出口として機能し、酸素が欠乏しているときでも、細胞が内部の化学サイクルをスムーズに動かし続けることを可能にします。原子レベルでどのように水素が形成されるかという正確なステップはまだ解明の過程にありますが、証拠は、Complex Iマシン内にある、この化学反応を行う能力を持つ特定の分岐を示しています。この知見は、これらのエネルギーマシンの進化の歴史が以前考えられていたよりも深く、特定の条件下でのみ明らかになる潜在的な水素生成能力を保持していることを示唆しています。本研究は、プロセスのあらゆる詳細を解明したと主張するものではありませんが、この水素生成が植物のミトコンドリア・システムにおける実在し、制御された機能であり、通常の経路が遮断された際の電子にとっての不可欠な脱出路を提供していることを確固たるものにしています。