フィコシアニン

フィコシアニンは、アロフィコシアニンやフィコエリトリンとともに、光捕集フィコビリプロテインファミリーに属する色素タンパク質複合体です。^{[ 1 ]}シアノバクテリア（藍藻類とも呼ばれる）に見られるクロロフィルの補助色素です。 ^{[ 2 ]}すべてのフィコビリプロテインは水溶性であるため、カロテノイドのようにリン脂質細胞膜内に存在することはできません。代わりに、フィコビリプロテインは凝集して膜に付着するクラスターを形成し、これをフィコビリソームと呼びます。

「フィコシアニン」という用語は、ギリシャ 語で「藻類」を意味するphycoに由来し、シアニンは英語の「cyan 」に由来します。「cyan」は慣習的に青緑色（アクアに近い色）を意味し、またギリシャ語の「kyanos」に由来し、これはやや異なる暗い色を意味します。フィコシアニンは特徴的な淡い青色をしており、オレンジ色と赤色の光、特に620 nmの波長（種類によって異なります）を吸収し、約650 nmで蛍光を発します（これも種類によって異なります）。関連するアロフィコシアニンは、フィコシアニンCやフィコシアニンRよりも長い波長で吸収および発光します。  

C-フィコシアニンは、70 °C (158 °F)付近まで安定で、20 °C (68 °F)と 70 °C で同一の分光学的 (光吸収) 挙動を示すため、温泉周辺で繁殖するシアノバクテリアによく見られます。好熱菌は、これらの高温条件下で安定なように、わずかに異なるアミノ酸配列を持っています。フィコビリタンパク質は、1 ～ 2 つの線状テトラピロール発色団が共有結合したタンパク質骨格を持つ 2 つのサブユニット (α と β) から構成され、分子量は約 30,000 Daです。これらの温度でのこのタンパク質のin vitro での安定性は、大幅に低いことが示されています。精製された状態で 65 °C 条件に 1 分間曝露した後のタンパク質の光スペクトル分析では、三次構造の 50% の損失が示されました。       

フィコビリプロテインは蛍光特性を持ち、免疫測定キットに利用されています。例えば、アファニゾメノン・フロスアクアエやスピルリナによって生成されるフィコシアニンは、食品・飲料業界で天然着色料「リナブルー」や「エクスベリーシェードブルー」として使用され、お菓子やアイスクリームに含まれています。さらに、水サンプル中のフィコシアニン色素の蛍光検出は、シアノバクテリアのバイオマスをモニタリングする有用な方法です。^{[ 3 ]}

フィコシアニンは、すべてのフィコビリプロテインと共通の構造テーマを共有しています。^{[ 4 ]}構造は、αサブユニットとβサブユニットから構成されるヘテロ二量体であるフィコビリプロテインモノマーと、チオエーテル結合を介して連結されたそれぞれの発色団の集合から始まります。

各サブユニットは通常、8つのαヘリックスから構成されています。モノマーは自発的に凝集して、回転対称性と中央チャネルを持つ環状の三量体（αβ） _{3を形成します。三量体はペアで凝集して六量体（αβ） 6}を形成し、場合によっては追加のリンカータンパク質の助けを借ります。各フィコビリソームロッドは通常、2つ以上のフィコシアニン六量体を持っています。フィコビリタンパク質の構造と集合は全体的に類似していますが、フィコシアニンのみを考慮した場合でも、六量体とロッドのコンフォメーションには大きな多様性があります。より大きなスケールでは、フィコシアニンは結晶構造も異なりますが、その生物学的意義については議論の余地があります。

例えば、Synechococcus vulcanus由来のC-フィコシアニンの構造は1.6オングストロームの分解能まで精密化されている。 ^{[ 5 ]} (αβ)モノマーは332個のアミノ酸と3個のチオ結合フィコシアノビリン(PCB)補因子分子から構成される。αサブユニットとβサブユニットの両方にアミノ酸84にPCBが存在するが、βサブユニットには155位にも追加のPCBが存在する。この追加のPCBは三量体環の外側に面しており、フィコビリソーム複合体におけるロッド間のエネルギー伝達に関与していると考えられる。補因子に加えて、周囲の溶媒(水)との多くの予測可能な非共有結合相互作用があり、これらが構造安定性に寄与すると考えられている。

R-フィコシアニンII（R-PC II）は、一部のSynechococcus種に見られます。^{[ 6 ]} R-PC IIは、シアノバクテリア由来のフィコシアニンを含む最初のPEBであると言われています。^{[ 6 ]}その精製タンパク質は、αサブユニットとβサブユニットが等量で構成されています。^{[ 6 ]} R-PC IIは、β-84にPCB、α-84とβ-155にフィコエリトロビリン（PEB）を持っています。^{[ 6 ]}

2023年3月21日現在、タンパク質データバンクには310のフィコシアニンの結晶構造が登録されている。^{[ 7 ]}

C-フィコシアニンは、約621 nmに単一の吸収ピークを持ち、 ^{[ 8 ] [ 9 ]}生物や、温度、pH、in vitroでのタンパク質濃度などの条件によってわずかに変化します。^{[ 10 ] [ 11 ]}その発光最大値は約642 nmです。^{[ 8 ] [ 9 ]}これは、この色素がオレンジ色の光を吸収し、赤みがかった光を発することを意味します。R-フィコシアニンは、533 nmと544 nmに吸収最大値を持ちます。^{[ 6 ]} R-フィコシアニンの蛍光発光最大値は646 nmです。^{[ 6 ]}    

フィコシアニンは多くの光合成独立栄養性シアノバクテリアによって生成される。^{[ 12 ]}シアノバクテリアが高濃度のフィコシアニンを持っていても、海洋での生産性は光条件によって依然として制限されている。^{[ 12 ]}

フィコシアニンは、シアノバクテリアのブルームを示す生態学的意義を持つ。通常、シアノバクテリアの数を示すためにクロロフィルaが使用されるが、これは多数の植物プランクトン群に存在するため、理想的な指標ではない。^{[ 13 ]}例えば、バルト海での研究では、有毒な夏のブルームの際に、糸状シアノバクテリアのマーカーとしてフィコシアニンが使用された。 ^{[ 13 ]}バルト海に生息する糸状生物には、Nodularia spumigenaやAphanizomenon flosaquaeなどがある。

スピルリナ（Arthrospira platensis）と呼ばれる重要なシアノバクテリアは、C-PCを生成する微細藻類である。^{[ 14 ]}

フィコシアニンの生産には、光独立栄養、混合栄養、従属栄養、組換え生産など、さまざまな方法があります。^{[ 15 ]}光独立栄養によるフィコシアニンの生産は、亜熱帯または熱帯地域の開放池でシアノバクテリアの培養を行う方法です。^{[ 15 ]}混合栄養による藻類の生産は、グルコースなどの有機炭素源を含む培養液で藻類を培養する方法です。^{[ 15 ]}混合栄養生産を使用すると、光独立栄養培養のみを使用する場合と比較して、成長速度とバイオマスが高くなります。^{[ 15 ]}混合栄養培養では、従属栄養と独立栄養の成長を別々に合計すると、混合栄養の成長に等しくなります。^{[ 16 ]}従属栄養によるフィコシアニンの生産は、その定義によれば、光制限を受けません。^{[ 15 ]} Galdieria sulphurariaは、多量の C-PC と少量のアロフィコシアニンを含む単細胞紅藻です。^{[ 15 ]} G. sulphuraria は、高温で酸性の泉に生息し、成長に多くの炭素源を利用するため、C-PC の従属栄養生産の一例です。^{[ 15 ]} C-PC の組換え生産は、遺伝子工学を伴う別の従属栄養法です。^{[ 15 ]}

地衣類を形成する菌類とシアノバクテリアはしばしば共生関係にあるため、フィコシアニンマーカーは菌類と共生するシアノバクテリアの生態学的分布を示すために使用できる。Lichina属とRivularia属の株間の非常に特異的な関連性に見られるように、フィコシアニンは北大西洋北西部沿岸域におけるこのグループの進化の歴史を解明するのに十分な系統学的解像度を持っている。^{[ 17 ]}

cpcオペロンに位置し、同じmRNA転写産物から翻訳される2つの遺伝子cpcAとcpcBは、それぞれC-PCのα鎖とβ鎖をコードしている。^{[ 18 ]}リンカータンパク質やフィコビリン合成およびフィコビリタンパク質に関与する酵素などの追加要素は、多くの場合、隣接する遺伝子クラスターの遺伝子によってコードされており、Arthrospira platensisのcpcオペロンもC-PC複合体の組み立てを助けるリンカータンパク質をコードしている。^{[ 19 ]}紅藻類では、フィコビリタンパク質とリンカータンパク質の遺伝子は葉緑体ゲノム上に位置している。^{[ 20 ]}

フィコシアノビリンはヘムから合成され、3つの酵素反応を経てC-PCアポタンパク質に挿入される。^{[ 21 ]}環状ヘムはヘムオキシゲナーゼによって線状ビリベルジンIXαに酸化され、さらに3Z-フィコシアノビリン：フェレドキシン酸化還元酵素によって主要なフィコシアノビリン異性体である3Z-フィコシアノビリンに変換される。3Z-フィコシアノビリンのC-PCアポタンパク質へのチオエーテル結合形成を介した挿入は、フィコシアノビリンリアーゼによって触媒される。^{[ 22 ]}

cpcオペロンのプロモーターは、cpcB遺伝子の上流427bp領域内に位置している。A .  platensisでは、この領域に6つの推定プロモーター配列が同定されており、そのうち4つはE. coliに形質転換すると緑色蛍光タンパク質を発現する。^{[ 23 ]}また、同じ領域には光応答エレメントなどの他の正のエレメントも存在することが実証されている。^{[ 24 ]}

cpcオペロン内の複数のプロモーターおよび応答エレメント配列により、シアノバクテリアと紅藻は、さまざまな環境条件に応じてその発現を調整することができます。cpcAおよびcpcB遺伝子の発現は光によって制御されます。低光強度ではCPCおよびその他の色素の合成が促進されますが、高光強度では色素合成が抑制されます。^{[ 25 ]}温度も合成に影響を与えることが示されており、C-PCおよびAPC含有量が特に高いシアノバクテリアであるArthronema africanumでは、特定の色素濃度が36℃で明確な最大値を示します 。^{[ 26 ]}

窒素制限と鉄制限はフィコビリプロテインの分解を誘発する。有機炭素源はアナベナ属ではC-PC合成を促進するが、A.  platensisではほとんどエフェクターまたは負の影響を与えないようだ。^{[ 27 ] [ 28 ]}紅藻類のCyanidium caldariumとGaldieria sulphurariaでは、C-PC産生はグルコースによって抑制されるが、ヘムによって促進される。^{[ 29 ]}

藻類から純粋なフィコシアニン抽出物を分離することができる。基本的な分離手順は以下のとおりである。機械的力（凍結融解）または化学的薬剤（酵素）による細胞壁の破壊。次に、遠心分離によってC-PCを分離し、硫酸アンモニウム沈殿またはクロマトグラフィー（イオンまたはゲルろ過）で精製する。その後、サンプルを凍結して乾燥させる。^{[ 15 ]}