極低温単一タンパク質分光を用いた電子移動反応におけるタンパク質構造の役割の解明

• Project/Area Number: 12J08402
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 生物物理・化学物理
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 近藤 徹 東京工業大学, 大学院理工学研究科(理学系), 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012 – 2014
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 単一分子分光 / 単一タンパク質分光 / 顕微分光 / 光合成反応中心 / 光合成 / 電子移動 / エネルギー移動 / 光合成アンテナ系 / タンパク質 / ヘリオバクテリア

Outline of Annual Research Achievements

昨年度から引き続き、光合成細菌ヘリオバクテリアの反応中心タンパク質(hRC)内で電子移動担体として機能するクロロフィル分子(Chl a-A_0)の極低温1分子測定を行った。hRC溶液をpM程度に希釈しCaF_2基板にスピンコートして6Kで2D蛍光画像を測定すると、hRC由来の輝点が観測された。輝点の1つにレーザースポットを合わせ蛍光強度の時間変化を測定すると、1ステップの光退色が確認できた。1ステップ光退色は単一粒子に特徴的な現象であり、輝点が単一hRCに由来することを裏付ける。630～710nmの波長範囲で単一hRCの励起スペクトルを測定すると、670nm付近に鋭いピークが観測された。光強度に対する蛍光飽和特性はhRC主要色素のBchl gと異なり、Chl a-A_0と同じだった。また、11個のhRCから得たピーク波長のヒストグラムがChl a-A_0のアンサンブルピークと一致した。以上より、670nm付近のピークはChl a-A_0由来と結論した。
Chl a-A_01分子のピーク波長と線形が時間変化した。それに伴い励起偏光依存性も変化した。分子の遷移双極子モーメントの方向揺らぎとピーク波長変化が対応すると分かった。630～710nmの範囲で観測されるChl a-A_0とBchl gのピークについて相互相関を求めると、Chl a-A_0とBchl gのピークで負相関を示すものが観測された。さらに、Chl a-A_0のピーク波長変化に伴い、相関するBchl gが変化した。この結果は、ピーク波長変化に付随してエネルギー移動パスがスイッチすることを示唆する。以上から、タンパク質の構造揺らぎは機能分子の双極子モーメント方向を変化させ、反応経路に影響すると分かった。構造揺らぎ程度の見かけ小さな変化でもRC機能に大きく影響することを実験的に示した。

Research Progress Status

本研究課題は平成26年度が最終年度のため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題は平成26年度が最終年度のため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Dark-operative protochlorophyllide oxidoreductase generates substrate radicals by an iron-sulphur cluster in bacteriochlorophyll biosynthesis (2014)
  • Author(s): J. Nomata, T. Kondo, T. Mizoguchi, H. Tamiaki, S. Itoh, Y. Fujita
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Issue: 1 Pages: 5455-5455
  • DOI: 10.1038/srep05455
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional laser-scanning confocal reflecting microscope for multicolor single-molecule imaging at 1.5 K (2014)
  • Author(s): Maruo M., Inagawa H., Toratani Y., Kondo T., Matsushita M., Fujiyoshi s.
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 591 Pages: 233-236
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2013.11.039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nicotinamide is a specific inhibitor of dark-operative protochlorophyllide oxidoreductase, a nitmgenase-like enzyme, from Rhodobacter capsulatus (2013)
  • Author(s): Nomata J., Kondo T., Itoh S., Fujita Y.
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 587 Issue: 18 Pages: 3142-3147
  • DOI: 10.1016/j.febslet.2013.07.054
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Single-molecule spectroscopic study of photosynthetic reaction center at 6K (2014)
  • Author(s): T. Kondo, R. Mutoh, G. Kurisu, H. Oh-oka, S. Fujiyoshi, M. Matsushita
  • Organizer: 第52回生物物理学会
  • Place of Presentation: 札幌コンペンションセンター(北海道)
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
  • Invited
• [Presentation] 1分子レベルでみた光合成反応中心タンパク質の分光特性 (2014)
  • Author(s): 近藤徹, 武藤梨沙, 栗栖源嗣, 大岡宏造, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 第8回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学 東広島キャンパス(広島県)
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] 6Kにおける光合成反応中心タンパク質の単一分子分光解析 (2014)
  • Author(s): 近藤徹, 武藤梨沙, 栗栖源嗣, 大岡宏造, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学(愛知県)
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Single-molecule spectroscopy of an electron transfer component in photosynthetic reaction center at 6 K (2014)
  • Author(s): T. Kondo, R. Mutoh, G. Kurisu, H. Oh-oka, S. Fujiyoshi, M. Matsushita
  • Organizer: Gordon Research Seminar/Conference (Single Molecule Approaches to Biology)
  • Place of Presentation: Lucca, Italy (Renaissance Tuscany Il Ciocco Resort)
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-18
• [Presentation] 緑色硫黄細菌のRCコアアンテナ系の分子生物学的解析 (2014)
  • Author(s): 浅井智広、近藤徹、伊藤繁、大岡宏造
  • Organizer: 第22回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学(愛知県)
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-13
• [Presentation] Ⅰ型反応中心のキノン反応 : ヘリオバクテリアホモダイマーRCとPSIの戦略の違い (2014)
  • Author(s): 伊藤繁、近藤徹、浅井智広、大岡宏造
  • Organizer: 第22回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学(愛知県)
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-13
• [Presentation] ヘリオバクテリアⅠ型反応中心のキノン反応・部位はPSIと異なる (2014)
  • Author(s): 近藤徹、浅井智広、大岡宏造、伊藤繁
  • Organizer: 第5回光合成学会
  • Place of Presentation: 近畿大学(奈良キャンパス)(奈良県)
  • Year and Date: 2014-05-30 – 2014-05-31
• [Presentation] 緑色硫黄細菌のタイプⅠ型RCはPSIとは異なるエネルギー移動系をもつ (2014)
  • Author(s): 浅井智広、近藤徹、伊藤繁、大岡宏造
  • Organizer: 第5回光合成学会
  • Place of Presentation: 近畿大学(奈良キャンパス)(奈良県)
  • Year and Date: 2014-05-30 – 2014-05-31
• [Presentation] Single molecule spectroscopy of photosynthetic reaction center at cryogenic temperature (2013)
  • Author(s): 近藤徹, 武藤梨沙, 栗栖源嗣, 大岡宏造, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ(京都府民総合交流プラザ)
• [Presentation] Cryogenic single molecule spectroscopy of the electron transfer cofactor in the photosynthetic reaction center (2013)
  • Author(s): 近藤徹, 武藤梨沙, 栗栖源嗣, 大岡宏造, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 第51回生物物理学会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館