近赤外光応答性uphill型光合成反応におけるカルシウムイオンの役割

• 研究課題/領域番号: 16K07295
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機能生物化学
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 木村 行宏 神戸大学, 農学研究科, 准教授 (20321755)
• 研究協力者: 大友 征宇 ; 秋本 誠志
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2017年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2016年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 光合成細菌 / 光捕集タンパク質 / uphill型エネルギー移動 / カルシウム / 赤外分光法 / ラマン分光法 / 超高速分光法 / 熱量分析 / 金属タンパク質 / 光合成

研究成果の概要

好熱性紅色光合成細菌Thermochromatium(Tch.) tepidumは、光捕集１アンテナ複合体が吸収した低エネルキーの近赤外光をエネルギーの高い反応中心に伝達（uphillエネルキー移動）して、光合成を行うことが可能であり、この現象にはCa2+が密接に関与していると考えられる。本研究の結果から、Ca2+が電子伝達に関わるCサブユニットとRCをつなぐバインダーの役割を担っており、RCのエネルギーを低下させることにより、低エネルギーの光捕集１アンテナ複合体から高い反応中心へと円滑にエネルギーを伝わる役割をしていることが強く示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

近赤外光は地球に降り注ぐ太陽光の約4割を占める未利用のエネルギー資源である。水は低きに流れるが、紅色光合成細菌は低エネルギーの近赤外光をより高いエネルギーに変換（uphillエネルギー移動）して有効なエネルギー源をつくり出している。本研究では、紅色細菌の中でもより低い近赤外光を利用可能な菌に着目し、この種がCaを利用して色素分子の配向状態を制御し、低エネルギー吸収を可能にしていること、およびuphillエネルギーギャップを小さくしていることを明らかにした。本研究で得られた知見は、学術的な意義も大きいが、近赤外光応答型人工光合成による新しいエネルギー資源の創出へとつながる可能性を秘めている。

研究成果

• [国際共同研究] 南イリノイ大学(米国)
• [国際共同研究] Southern Illinois Universty(U.S.A.)
• [国際共同研究] Southern Illinois University(米国)
• [雑誌論文] Biochemical and Spectroscopic Characterizations of a Hybrid Light-Harvesting Reaction Center Core Complex (2018)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yukihiro、Hashimoto Kanako、Akimoto Seiji、Takenouchi Mizuki、Suzuki Kengo、Kishi Rikako、Imanishi Michie、Takenaka Shinji、Madigan Michael T.、Nagashima Kenji V. P.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 57 号: 30 ページ: 4496-4503
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.8b00644
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] C-Terminal Cleavage of the LH1 a-Polypeptide in the Sr2+-Cultured Thermochromatium tepidum (2018)
  • 著者名/発表者名: Y Kimura, Y.*, Kawakami, T., Arikawa, T., Yong Li, Yu, L.-J., Ohno, T., Madigan, M.T., and Wang-Otomo, Z.-Y.
  • 雑誌名: Photosynth. Res 巻: 135 号: 1-3 ページ: 23-31
  • DOI: 10.1007/s11120-017-0393-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Probing Structure-Function Relationships in Early Events in Photosynthesis Using a Chimeric Photocomplex (2017)
  • 著者名/発表者名: Nagashima, V. P. K., Sasaki, M., Hashimoto, K., Takaichi, S., Nagashima, S., Yu, L.-J, Abe, Y., Goto, K., Kawakami, T., Takenouchi, M., Shibuya, S., Yamaguchi, A., Ohno, T., Shen, J.-R., Inoue, K., Madigan, M.T., Kimura, Y.* and Wang-Otomo, Z.-Y.
  • 雑誌名: Proc. Nat. Aca. Sci. 巻: 114 号: 41 ページ: 10906-10911
  • DOI: 10.1073/pnas.1703584114
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Calcium Ions on the Thermostability and Spectroscopic Properties of the LH1-RC complex from a New Thermophilic Purple Bacterium Allochromatium tepidum (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura, Y.*, Lyu, S., Okoshi, A., Okazaki, K., Nakamura, N., Ohashi, A., Ohno, T., Kobayashi, M., Imanishi, M., Takaichi, S., Madigan, M. T., Wang-Otomo, Z.-Y.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 121 号: 19 ページ: 5025-5032
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b03341
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopic and Thermodynamic Characterization of the Metal-Binding Sites in the LH1-RC Complex from Thermophilic Photosynthetic Bacterium Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Kimura, Y.*, Yura, Y., Hayashi, Y., Yong Li, Onoda, M., Yu, L.-J., Wang-Otomo, Z.-Y., Ohno, T.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 120 号: 49 ページ: 12466-12473
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b10068
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structure Basis for the Unusual Qy Red-shift and Enhanced Thermostability of the LH1 Complex from Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Yu, L.-J., Kawakami, T., Kimura, Y., and Wang-Otomo, Z.-Y.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 55 号: 47 ページ: 6495-6504
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.6b00742
  • 査読あり
• [学会発表] Where is the quinone gate in purple photosynthetic bacterial LH1-RC complex? (2018)
  • 著者名/発表者名: Wang-Otomo, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: The 56th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] Origin of the anomalous uphill energy gap in the light-harvesting reaction center from purple photosynthetic bacterium strain 970 (2018)
  • 著者名/発表者名: Imanishi, M., Kobayashi, M., Takenaka, S., Madigan, M.T., Wang-Otomo, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: The 56th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] Light-induced FTIR spectroscopic studies on quinone exchange mechanism of the LH1-RC complexes from native and chimeric purple bacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: Kishi, R., Imanishi, M., Hashimoto, K., Nagashima, V.P.K., Kobayashi, M., Takenaka, S., Wang-Otomo, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: The 56th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] 紅色光合成細菌Thiorhodovibrio Strain 970が示す異常なLH1 Qyレッドシフトの起源 (2018)
  • 著者名/発表者名: 今西三千絵、竹之内瑞貴、小林正幸、竹中慎治、M.T. Madigan、J. Overmann、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 第26回光合成セミナー
• [学会発表] 同位体標識化された好熱性紅色硫黄細菌由来LH1-RC複合体の振動分光学的解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村行宏、今西三千絵、永麗、大野隆、中川支央里、佐賀佳央、M.T. Madigan、大友征宇
  • 学会等名: 第26回光合成セミナー
• [学会発表] 光誘起FTIR分光法を用いた紅色細菌由来LH1-RC複合体におけるキノン分子の追跡 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岸利華子、今西三千絵、小林正幸、永島賢治、竹中慎治、M.T. Madigan、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 第26回光合成セミナー
• [学会発表] 好熱性および好塩性を示すHalorhodospira halochloris由来光捕集反応中心複合体の特性解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 能島紳吾、小林正幸、竹中慎治、M.T. Madigan、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 第26回光合成セミナー
• [学会発表] 963 nmにQy遷移をもつ紅色細菌Thiorhodovibrio strain 970由来LH1-RCの特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹之内瑞貴、川上知朗、高市真一、木村行宏, M.T. Madigan、J. Overmann、大友征宇
  • 学会等名: 第9回日本光合成学会
• [学会発表] FTIR 分光法を用いた好熱性紅色細菌 Thermochromatium tepidumにおける光合成電子伝達反応のモニタリング (2017)
  • 著者名/発表者名: 今西三千絵,橋本佳奈子,永島賢治,小林正幸,由良優季,大野隆,大友征宇,木村行宏
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 鹿児島大学（鹿児島県・鹿児島市）
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] Spectroscopic and thermodynamic analyses of the LH1-RC complexes from a new thermophilic purple bacterium Allochromatium tepidum (2017)
  • 著者名/発表者名: Lyu, S., Imanishi, M., Nojima, S., Kobayashi, M., Ohno, T., Wang-Otomo, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: 5th Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Monitoring of quinone reduction in the thermophilic purple bacterium Thermochromatium tedium by means of isotope-edited FTIR spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Imanishi, M., Kishi, R., Kobayashi, M., Wang-Otomo, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: The 55th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] Co-crystallization of a bacterial photosynthetic electron-transfer complex (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawakami, T., Liang, T., Okazaki, K., Kimura, Y., and Otomo, S.
  • 学会等名: he 55th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] Thermochromatium tepidumおよびRhodobacter sphaeroides由来LH1-RCキメラ複合体の特性解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村行宏、秋本誠志、今西三千絵、岸利華子、橋本佳奈子、大野隆、永島賢治、大友征宇
  • 学会等名: 第25回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] 同位体標識化された好熱性紅色細菌Thermochromatium tediumにおけるキノール分子の振動分光学的検出 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岸利華子、今西三千絵、小林正幸、大野隆、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 第25回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] 新規好熱性紅色細菌Allochromatium tepidum由来LH1-RC複合体におけるCa依存型耐熱化機構のATR-FTIR分析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 能島伸吾、今西三千絵、呂淑文、小林愛実、大野隆、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 第25回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] Spectroscopic and thermodynamic characterization of LH1-RC complexes from Thermophilic purple bacteria (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura, Y.
  • 学会等名: 8th OCARINA International Symposium
  • 発表場所: 大阪市立大学（大阪府・大阪市）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functional and structural roles of calcium ion in the reaction center complex from thermophilic purple photosynthetic bacterium, Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Imanishi, M., Kobayashi, M., Kobayashi, M., Matsuzaki, M., Yura, Y., Ohno T., Wang, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: The 54th Annual Meeting of the BSJ
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Spectroscopic characterization of site-directed mutants in light-harvesting 1 complex from Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto, K., Nagashima, V.P.K., Akimoto, S., Ohno T., Wang, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: Annual Meeting of the BSJ
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Spectroscopic and thermodynamic characterization of the metal-binding sites in the LH1-RC complex from thermophilic purple sulfur bacterium Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Kimura, Y., Yura, Y., Hayashi, Y.,Yong Li, Onoda, M., Wang-Otomo, Z.-Y., and Ohno T.
  • 学会等名: 17th International Congress on Photosynthesis
  • 発表場所: Maastricht(The Netherlands)
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] 新規好熱性紅色硫黄細菌Allochromatium tepidum由来LH1-RCの特性解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 呂淑文、木村行宏、大野隆、M.T. Madigan、大友征宇
  • 学会等名: 第24回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
  • 発表場所: 龍谷大学（京都府・京都市）
  • 年月日: 2016-07-09
• [学会発表] Effects of metal cations on charge separated states of the reaction center from thermophilic purple photosynthetic bacterium Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Kimura, Y., Matsuzaki, M., Yura, Y., Wang-Otomo, Z.-Y., and Ohno T.
  • 学会等名: The 4th Awaji International Workshop on Electron Spin Science & Technology
  • 発表場所: 淡路夢舞台国際会議場（兵庫県・淡路市）
  • 年月日: 2016-06-19
  • 国際学会
• [学会発表] ヘテロ複合体発現系を用いたuphill型光合成反応機構の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 橋本佳奈子、秋本誠志、永島賢治、大友征宇、木村行宏、大野隆
  • 学会等名: 第497回日本農芸化学会関西支部講演会
  • 発表場所: 神戸大学（兵庫県・神戸市）
• [学会発表] 新規好熱性紅色光合成細菌Allochromatium tepidum由来LH1-RCの耐熱性制御機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 呂淑文、大友征宇、M.T. Madigan、木村行宏、大野隆
  • 学会等名: 第497回日本農芸化学会関西支部講演会
  • 発表場所: 神戸大学（兵庫県・神戸市）
• [備考]
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/ans-bpc/