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Associate Professor Hirose Yuu’s research focuses on how photosynthetic algae perceive and respond to light color to optimize photosynthesis. His research has been focused on how cyanobacteria perceive green or red light using unique photosensor proteins. Recently, he achieved the large-scale cultivation of diatoms under outdoor conditions and established a university-based start-up for commercial production of active ingredients.
Associate Professor Hirose has been studying cyanobacteria for more than 20 years, beginning with his doctoral research. Cyanobacteria, also known as blue-green algae, are prokaryotic organisms that perform photosynthesis, producing carbohydrates from carbon dioxide, water, and solar energy. They can perform photosynthesis across a wid range of environments, from oceans, lakes, and hot springs, to dry land and even deserts. Under these various conditions, cyanobacteria optimize their photosynthesis apparatus in response to changes in light color. However, the molecular mechanisms by which cyanobacteria perceive the light color are not yet fully understood.
“For over a century, it has been understood that certain cyanobacteria turn green under red light and red under green light. This phenomenon occurs because the cyanobacteria detect red and green light in their surroundings and adjust the absorption of their light-harvesting antenna, thus altering their cellular color. However, the molecular mechanism by which cyanobacteria actually perceive green and red light has remained unclear. My research was motivated by a desire to unravel this mystery,” explains Associate Professor Hirose.
In this phenomenon, a photoreceptor protein functions as a “light switch” to detect green and red light. Associate Professor Hirose’s managed to successfully uncover how this works, although the breakthrough was actually the result of an accident during an experiment.
“During the experiment, I inadvertently added a small amount of acidic buffer to a neutral photoreceptor protein solution. Mysteriously, the solution's color shifted instantly from blue to red and then reverted to blue. This indicated that the protein's light absorption properties changed as the pH transitioned from neutral to acidic and back to neutral. Furthermore, the return to the original color suggested that the protein was not denatured. After analyzing this unexpected phenomenon, I hypothesized that a proton was being released from or attached to the bilin chromophore.”
Associate Professor Hirose subsequently investigated the relationship between the pH of the photoreceptor protein solution and its absorption wavelength. Through this experiment, he became the first to propose that a proton is transferred within the chromophore when the photoreceptor protein perceives green and red light.
Building on his research, Associate Professor Hirose further advanced his work by uncovering the structural basis of how photoreceptor proteins detect light.
“Photoreceptor proteins exist in two states: one that absorbs green light and another that absorbs red light. By comparing the structures of the protein in these two states, we could identify key structural changes in the bilin chromophore and the surrounding protein. Specifically, in the green light state, a part of the protein acts like a lid that opens, allowing water molecules to flow in (solvation), which facilitates proton attachment to the chromophore. In contrast, under red light, the lid closes, blocking water inflow (desolvation) and making proton attachment more difficult. These findings fully elucidate how cyanobacteria detect and respond to green and red light.”
However, Associate Professor Hirose acknowledges that he could never have carried out this research alone. Most of this research has been accomplished through collaborative efforts with researchers from various fields across Japan.
“We are proficient in preparing proteins and conducting general analyses, but specialized techniques, such as structural analysis, are beyond our expertise, so we rely on our collaborators for these tasks. Japan is home to many universities with outstanding researchers specializing in diverse fields. The ability to conduct research in close collaboration with these experts is, in my view, a significant strength of research in Japan.”
Furthermore, the photoreceptor proteins of cyanobacteria, which Associate Professor Hirose has studied, are now being utilized as research tools in optogenetics, a field in which cellular activity is controlled by illuminating green and red light.
“Additionally, research aimed at improving photosynthetic efficiency is gaining attention in terms of its potential contribution to efforts to boost carbon neutrality and agricultural productivity. Our findings may also prove valuable in these areas.”
In addition to his basic research on photoreceptor proteins, Associate Professor Hirose is also engaged in a university-based start-up that utilizes a type of algae known as diatoms.
“This start-up focuses on mass-cultivating diatoms to produce various substances. While this may appear unrelated to our research on cyanobacteria, it includes the production of fucoxanthin, a photosynthetic antenna pigment found in diatoms. Therefore, both research projects are connected through their focus on the chromophore of photoreceptor proteins,” explains Associate Professor Hirose.
Fucoxanthin is known for its impressive pharmacological properties, including anti-obesity effects, with extracts from sources such as kelp already being marketed as supplements. However, the limited amount of fucoxanthin that can be extracted from kelp has made such supplements expensive. Although diatoms contain large quantities of fucoxanthin, their cultivation has been challenging owing to their susceptibility to bacteria and other organisms, making large-scale outdoor cultivation difficult to date.
“Through our efforts, we discovered a diatom capable of growing in extreme environments and successfully mass-cultivated it without contamination. We have already filed patents and are conducting demonstration experiments with the goal of commercialization within a few years. Looking ahead, we are also exploring its potential use as fishery feed and for biofuels,” says Associate Professor Hirose enthusiastically.
In fact, founding this start-up also had some unexpected benefits.
“When I was focused solely on basic research, other professors at Toyohashi University of Technology showed little interest in my work. However, since I started applied research and an on-campus venture company, I feel that people are paying more attention to my work than before. This may be a reflection of the culture at this university, which emphasizes applied research that is useful in society, such as collaborative research with companies.” Associate Professor Hirose concluded by expressing his desire to continue to pursue his research activitieswhile maintaining a balance between basic and applied studies.
Associate Professor Hirose studied at Hokkaido University before pursuing his master’s degree at the University of Tokyo. Since then, he has focused on research related to cyanobacteria. Since joining Toyohashi University of Technology in 2011, he has conducted extensive collaborative and applied research.
“When I was at the University of Tokyo, I believed I could accomplish everything on my own. However, when I first arrived in Toyohashi, I had neither the equipment nor the funding. Looking back, that was a pivotal moment in my career as a researcher. I began reaching out to acquaintances both in Japan and abroad, initiating collaborative research, which greatly expanded my work. Since then, I’ve adopted a research approach that involves collaborating with researchers from various fields, working together, and going with the flow,” he explains. He also added, “If anyone conducts their research with due care and dilligence, great discoveries are sure to follow. However, whether you can seize that golden opportunity depends on the consistency of your application.” This hybrid approach of going with the flow while at the same time sticking to the task may be the secret to attracting opportunities.
広瀬侑准教授は、光合成を行う藻類がどのように光の色を感知しているのか、また感じた光をどのように集めて生存に役立てているか、といったことに着目して研究を行っている。なかでも長年にわたり、シアノバクテリアの光受容体に焦点を当てて、そのメカニズムの解明に注力してきた。また、近年では珪藻の屋外環境での安定的な大量培養に初めて成功。大学発ベンチャーを立ち上げ、有効成分を生産する事業にも取り組んでいる。
広瀬准教授が博士課程の頃から20年以上にわたり取り組んできたのが「シアノバクテリア」の研究だ。シアノバクテリア(藍藻)とは、太陽の光を吸収して、光合成を行って酸素を発生する原核生物のこと。海や湖沼、陸上、温泉、砂漠など、地球上のさまざまな環境に生息し、植物の葉緑体の起源とされる最古の光合成生物である。ただ、これまで、シアノバクテリアがどのように光の色を感じるのか、そのメカニズムは十分に解明されてこなかったのだという。
「ある種のシアノバクテリアは、赤色の光を当てると緑色に、緑色の光を当てる赤色に変化することが100年以上も前から知られていました。これは、シアノバクテリアが環境中の赤色光と緑色光を感知して、光合成に利用する光の色を変え、その結果として、細胞の色が変わるのです。しかし、シアノバクテリアがどのように緑色と赤色の光を感じているか、そのメカニズムについてはわかっていなかったんですね。それを解き明かしたい、というのが私の研究の原点になっています」と広瀬准教授は語る。
この現象において、緑色と赤色の光の色を感じるための「光スイッチ」としてはたらくのが、ビリン発色団を結合した光受容タンパク質であり、そのメカニズムの解明につながる重要なピースを見出したのが広瀬准教授なのである。その発見は、偶然にも実験中のとある失敗によってもたらされた。
「実は実験中に、中性の光受容タンパク質溶液に、少量の酸性のバッファー(緩衝液)を誤って加えてしまったのです。すると、不思議なことに、溶液の色が青色から赤色へ一瞬で変わったと思ったら、再び青色に戻ったんですね。これは、溶液中で中性→酸性→中性というpHの変化によって、タンパク質の吸収する光の色が変わったことを意味しています。しかも、元の色に戻ったということは、タンパク質が壊れてしまったわけではなく、可逆的な変化(反応)が起きたということ。この不思議な現象がなぜ起こるのかをよく考えた結果、ビリン発色団においてプロトン(水素イオン)の脱着(移動)が起こっているのではないか、という仮説にたどり着いたのです」
その後、広瀬准教授は、実際に光受容タンパク質溶液のpHと吸収波長の関係を詳細に解析することで、光受容タンパク質が緑色光と赤色光を受容する際に、発色団においてプロトンの移動が起こることを、 世界で初めて提唱したのだった。
その後、広瀬准教授はさらに研究を進め、光受容タンパク質が光を感じる仕組みを、分子の構造レベルで解明してきた。
「光受容タンパク質は、緑色光を吸収する状態と赤色光を吸収する状態をとることができます。これらの2つの状態の構造を比べてみたところ、ビリン発色団の構造や、それを取り囲むタンパク質分子の構造の一部が異なっていることがわかったんですね。具体的には、光を受けることでビリン発色団が回転しながら沈み込む動きをしていることがわかりました。その結果、緑色の光を受容すると、タンパク質の一部が蓋のように開いて水分子が流れ込み(親水化)、これによりプロトンがビリン発色団につきやすくなるのです。逆に赤色の光を受容する、蓋を閉めることで水分子が流入せず(疎水化)、プロトンがつきにくくなります。このようなメカニズムにより、光スイッチとして機能していることが明らかになったのです。これらの結果から、シアノバクテリアがどのように光の色を感知するのか、そのメカニズムを完全に解き明かすことができました」
ただし、こうした研究はけっして一人ではできなかったと、広瀬准教授は振り返る。ほぼすべての研究が、日本国内の他分野との研究者との共同研究の成果なのだという。
「私たちはタンパク質の調製や一般的な解析を行うことはできますが、構造解析など専門的な解析は自分たちではできないので、共同研究者へお願いしました。日本には一定の規模の大学がたくさんあり、多様な分野を専門とする優秀な研究者がいらっしゃいます。彼らと近い距離で密に連携しながら研究を進めることができるのは、日本における研究の大きな強みではないでしょうか」
なお、広瀬准教授が研究対象としてきたシアノバクテリアの光受容タンパク質は、光を照射して動きをコントロールするといったような、オプトジェネティクス(光遺伝学)の研究のツールとして活用され始めているという。
「さらには現在、カーボンニュートラルや農業の効率化といった観点から光合成の効率を高める研究が注目されています。そうした分野にも、われわれの研究が役立つかもしれません」
一方、広瀬准教授は光受容タンパク質を対象とする基礎研究だけでなく、「珪藻」と呼ばれる藻類を用いた大学発ベンチャーも手がけている。
「このベンチャーでは、珪藻を大量培養して物質生産を行う事業に取り組んでいます。一見、シアノバクテリアの研究とは関係ないように見えるかもしれませんが、生産を行っているのは、珪藻の光合成アンテナ色素の一種であるフコキサンチンという物質です。つまり、光受容タンパク質の発色団という意味では、2つの研究はつながっているのです」と広瀬准教授。
フコキサンチンは、抗肥満作用といった優れた薬理作用を持つことが知られ、昆布などから抽出したものが、すでにサプリとして販売されている。ところがフコキサンチンは昆布からはごく少量しか採れないため、非常に高価なことが課題になってきた。一方、珪藻にはフコキサンチンが多く含まれるものの、雑菌や他の生物の影響を受けやすく、これまでは屋外で大量培養することが難しかったのだという。
「そうしたなかで、われわれは極限環境で育つことができる珪藻を見つけてきて、その珪藻をコンタミネーションなく大量培養し、フコキサンチンを抽出することに世界で初めて成功しました。すでに特許も出願していて、数年後の商品化に向けて、現在、実証実験中です。将来的には、漁業用の飼料や、オイルなどのバイオ燃料に活用することも視野に入れているところです」と広瀬准教授は意気込む。
実は、ベンチャーを立ち上げたことで思わぬ効果もあったのだという。
「基礎研究だけをやっていたときは、学内の他の先生方から興味を持ってもらえることはほとんどありませんでした。一方、応用的な研究や、学内ベンチャーを始めてからは、以前より注目していただけるようになったと感じています。それはやはり、企業との共同研究など、実社会に役立つ応用研究に力を入れている豊橋技術科学大学の風土によるものかもしれません」。これからも、基礎と応用の両輪でバランスをとりながら、研究活動に邁進していきたいと、広瀬准教授は締め括った。
(取材・文=田井中麻都佳)
北海道大学に学び、修士課程からは東京大学へ進学したという広瀬准教授。以来、一貫してシアノバクテリアの研究に取り取り組んできた。2011年に豊橋技科大に着任してからは、共同研究や応用研究が格段に増えたという。
「東京にいるときは、何でも一人でできると思っていたんですよ。それが豊橋に来たばかりの頃は、設備もお金もない。いま思い返すと、まさに研究者としての正念場でした。そこで国内外の知り合いを頼って共同研究を始めてから自分の研究に大きな広がりがでてきました。そこからはむしろ、異分野の研究者を巻き込んで一緒に研究に取り組み、流れに身を任せるような研究スタイルにしています」と語る。それでいて、「研究はちゃんとしたやり方で時間をかければ、誰にでも平等に素晴らしい発見が降ってきます。ただし、その〈金の卵〉をちゃんとキャッチできるかどうかは、日頃どれだけ準備をしているかにかかっています」とも。流れに身を任せ、地道に努力を重ねる。気負わないその姿勢こそが、チャンスを呼び込む秘訣なのかもしれない。
Yuu Hirose
Yuu Hirose graduated Hokkaido University in 2006 and received PhD degree in 2011 from The University of Tokyo, Japan. After a postdoctoral fellow at Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), he started his career as a project assistant professor at Toyohashi University of Technology in 2012. He is currently an associate professor at Department of Applied Chemistry and Life Science.
Madoka Tainaka
Editor and writer. Former committee member on the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology Council for Science and Technology, Information Science Technology Committee and editor at NII Today, a publication from the National Institute of Informatics. She interviews researchers at universities and businesses, produces content for executives, and also plans, edits, and writes books.