Redistribution of electron flow between redox cofactors branches in photosystem I from the menB variants of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

葉の内部を、活気あふれるハイテクな発電所だと想像してみてください。その仕事は、太陽光を捉え、植物が成長するために利用できる電気へと変換することです。このプロセスは、フォトシステムIと呼ばれる小さな工場で行われます。これらの工場には、並んで走る2つの同一の組み立てライン、あるいは「枝（ブランチ）」があると考えてください。これらのラインでは、電子（小さな電荷を持つ粒子）が、リレーレースのランナーのように、スタート地点からゴール地点へと駆け抜けます。通常、電子はフィロキノンと呼ばれる特定の分子で作られた、特別な踏み石（コファクター）の間を飛び跳ねます。健康な植物において、最も重要な踏み石はこのフィロキノンで作られています。科学者たちは、どちらの組み立てラインが「メイン」で、どちらが「バックアップ」であるかについて長年議論してきましたが、電子の動きがあまりに速く、カメラが写真を撮れるよりも速いため、正確に何が起きているのかを観察することは困難でした。

この研究は、壊れた指示書を持っている特定のシアノバクテリア（微細な植物のような生物）に焦点を当てています。欠損した遺伝子のせいで、彼らは通常のフィロキノンという踏み石を作ることができません。その代わりに、彼らはプラストキノンという、少し扱いにくい別の分子を使用することを余儀なくされています。この変化により、電子の動きは劇的に遅くなり、電光石火のスプリントからゆっくりとしたジョギングへと変わります。このレースを遅くすることで、科学者たちはようやく電子の動きを「見る」ことができ、2つの組み立てラインがどのように仕事を分担しているのかを解明することができました。これは、自然がいかに効率的なソーラーパネルを作り上げているかを理解することが、私たちのためのより優れた人工太陽電池や電池を設計する助けになる可能性があるため、非常に重要です。

研究者たちは、これら「壊れた」バクテリアの2つの異なるバージョンを詳しく調べることにしました。一方のバージョンは、置き換えられた分子が緩く、ぐらついているもの（これを「ルーズ・チーム」と呼びましょう）、もう一方は、その分子がしっかりと固定されているもの（「タイト・チーム」と呼びましょう）です。彼らは、分子の緩さが電子の経路選択に影響を与えるかどうかを確認したいと考えました。これを行うために、彼らはプロテオリポソームと呼ばれる微小な人工の泡を作り、そこにバクテリアのフォトシステム工場を貼り付けました。そして、工場に超高速のフラッシュ光を照射し、泡の膜を飛び越える微小な電気の火花を測定しました。

結果は以下の通りでした。「タイト・チーム」では、電子は予測可能なリズムで動いていました。約60%の電子が速いルート（Bブランチと呼びます）を約5マイクロ秒で通り、残りの40%が少し遅いルート（Aブランチ）を約30マイクロ秒で通りました。しかし、「ルーズ・チーム」では物語が変わりました。電子はさらに遅くなりました。速いルートは約10マイクロ秒を要し、遅いルートは100マイクロ秒まで引き延ばされました。さらに重要なことに、バランスが変化しました。ルーズなバージョンでは、70%という膨大な数の電子がBブランチを選び、わずか30%だけがAブランチへと進みました。

科学者たちは、このシフトが起こる理由は、分子が緩いためにAブランチが一種の行き止まりになっているからだと示唆しています。Aブランチの踏み石から次のステーションへ電子が飛び移ることがエネルギー的に困難になるため、電子は自然とそれを避け、Bブランチに密集するのです。それはまるで、片側の橋に巨大な路面の陥没（ポットホール）があるようなものです。ほとんどの車は、その凹凸を避けるために直感的に反対側の車線へと切り替えます。この研究は、これらの変異バクテリアにおいて、電子の流れが大きく再分配され、Bブランチがほぼすべての重労働を担っていることを裏付けています。

研究者たちはまた、この緩い分子を別の化学物質と入れ替えることで、システムが修復されるかどうかを確認しました。彼らは、「タイト・チーム」は頑固であり、新しい化学物質が元の分子を押し出すことができなかったことを発見しました。しかし、「ルーズ・チーム」は柔軟であり、新しい化学物質が容易に取って代わり、電子の速度も再び変化しました。これは、特定の種類の分子と、それがどれほど固く保持されているかが、電子がどの経路を取るかを制御する鍵であることを証明しました。

要するに、この論文は、ソーラー工場の内部にある踏み石の安定性が、交通の流れを決定することを示しています。石が緩く不安定になると、電子は混乱して一つのレーンにボトルネックが発生し、すべてが遅くなります。石がタイトで安全であれば、交通はより均等に流れます。この研究は、植物の仕組みを完全に解明したと主張しているわけではありませんが、分子レベルの「家具」の小さな変化が、いかにエネルギーの流れを完全に作り変えてしまうかについて、明確で測定可能な姿を提示しています。