結晶構造から解き明かす光合成の光捕集・光電変換と電子移動過程の作動原理

• Project/Area Number: 16J03806
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 川上 知朗 茨城大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 光合成 / 光合成細菌 / 光捕集タンパク質 / バクテリオクロロフィル / 2価金属イオン / 共結晶 / 電子伝達 / ２価金属イオン

Outline of Annual Research Achievements

本研究では好熱性紅色硫黄光合成細菌Thermochromatium(Tch.) tepidum由来の光捕集反応中心複合体LH1-RCの結晶を作製、X線結晶構造解析することにより結晶構造から光捕集・光電変換・電子伝達過程の作動原理の解明を目指すとともに、２価金属イオンとの相互作用機構の解明を行う。
Tch. tepidum 由来の反応中心RC (reaction center)のCサブユニットのヘム基近傍に、水溶性電子伝達タンパク質HiPIPから電子が引き渡されることが報告されている。しかし、この過程がどのように行われているかはわかっておらず、LH1-RCとHiPIPとの共結晶化の報告もなく、実際HiPIPからRCへの電子伝達がまだ証明されていない。
本年度は、HiPIPとLH1-RCの共結晶を作成・結晶構造解析する予備実験として、結晶構造からHiPIPからRCへの詳細な電子伝達機構の解明を目指した。個別に精製したTch. tepidum 由来HiPIPとLH1-RCを化学量論的に各種割合で混合し、pHを調整、当研究室が確立した結晶化方法を改良することで共結晶の作製を試みた。共結晶の作製にはLH1-RCとHiPIPを混合する化学量論比、pH、bufferの種類が重要な要因になっていることがわかった。得られた途中のスクリーニング結果を日本生物物理学会でポスター発表した。多くの研究が報告されているようにHiPIPはLH1-RCのCサブユニットのヘム鉄近傍に存在する可能性が示唆された。また、タンパク質の共結晶は、静電的な相互作用で結合していることが数多く報告されているが、本タンパク質複合体は疎水相互作用が支配的であると考えられる。現在は、このHiPIPがCサブユニットに対して同様な方向で相互作用をしているのかを調べるために詳細な解析を行っている。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Probing Structure-Function Relationships in Early Events in Photosynthesis Using a Chimeric Photocomplex (2017)
  • Author(s): 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.
  • Journal Title: Proc. Nat. Aca. Sci. Volume: 114 Issue: 41 Pages: 10906-10911
  • DOI: 10.1073/pnas.1703584114
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectrally Selective Spectroscopy of Native Ca-Containing and Ba-Substituted LH1-RC Core Complexes from Thermochromatium tepidum (2017)
  • Author(s): Ratsep Margus、Timpmann Kou、Kawakami Tomoaki、Wang-Otomo Zheng-Yu、Freiberg Arvi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 121 Issue: 45 Pages: 10318-10326
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b07841
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural Basis for the Unusual Qy Red-Shift and Enhanced Thermostability of the LH1 Complex from Thermochromatium tepidum (2016)
  • Author(s): L.-J. Yu, T. Kawakami, Y. Kimura, Z.-Y. Wang-Otomo
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 55 Pages: 6495-6504
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 紅色光合成細菌由来の電子伝達複合体の共結晶化 (2017)
  • Author(s): 川上知朗、梁泰、岡崎航大、木村行宏、大友征宇
  • Organizer: 日本生物物理学会
• [Presentation] 光合成光捕集複合体における金属イオン認識の構造基盤 (2016)
  • Author(s): 川上知朗
  • Organizer: 日本生物物理学会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25
• [Presentation] 金属イオンに誘起される光合成光捕集複合体の構造と分光学的特徴の変化 (2016)
  • Author(s): 川上知朗
  • Organizer: 日本生化学会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター/東北大学 川内キャンパス（宮城県仙台市青葉区）
  • Year and Date: 2016-09-25
• [Presentation] Characterization of the LH complexes from a new thermophilic purple bacterium Allochromatium tepidum (2016)
  • Author(s): T. Kawakami
  • Organizer: The 17th International Congress on Photosynthesis Research
  • Place of Presentation: MECC, Maastricht (オランダ)
  • Year and Date: 2016-08-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光捕集反応中心のおけるキノン分子の輸送機構について (2016)
  • Author(s): 川上知朗
  • Organizer: 生体分子科学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学 野依記念学術交流館（愛知県名古屋市千種区）
  • Year and Date: 2016-06-24
• [Presentation] 金属イオンがもたらす光捕集反応中心の構造と特性変化 (2016)
  • Author(s): 川上知朗
  • Organizer: 日本光合成学会
  • Place of Presentation: 東京理科大学 葛飾キャンパス（東京都葛飾区）
  • Year and Date: 2016-05-27