Identification of structural factors to improve Rubisco
| Project/Area Number |
23K18033
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
松村 浩由 立命館大学, 生命科学部, 教授 (30324809)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原田 隆平 筑波大学, 計算科学研究センター, 准教授 (60612174)
深山 浩 神戸大学, 農学研究科, 教授 (60373255)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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| Keywords | Rubisco / 構造 / 機能 / 計算科学的解析 |
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| Outline of Research at the Start |
先行研究によって、イネRubiscoに比べてHybrid Rubiscoの触媒速度（kcat）が約2倍に上昇し、Hybrid Rubiscoを発現したイネの光合成は増強することが判明した。しかし、「なぜ活性部位を構成しないRbcSの置換でkcatが上昇するのか？」、また「どのアミノ酸が鍵となってRubiscoのkcatを上げるのか」という根本的な問いの答えは不明である。そこで本研究では、Hybrid Rubiscoの精密構造数の蓄積、超巨大系Rubiscoの動きに着目した計算科学的解析、および生化学的解析によるフィードバックによって全てのRubiscoを改良する普遍的ルールを導き出す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、CO2固定酵素Rubiscoを改良する構造的要因を決定するために、(1) Hybrid Rubiscoの精密構造解析、ならびに(2) Rubiscoの計算科学・生化学的解析を実施した。
(1)については、高い精度で計算科学的解析を実施するためには、Hybrid Rubiscoの精密構造の数を増やす必要がある。そこで、イネの非光合成組織で発現するスモールサブユニットとイネラージサブユニットが会合した新規のHybrid RubiscoのX線結晶構造解析を実施した。その結果、1.9A分解能での構造解析することに成功した。この解析によって、Rubiscoの運動性上昇の要因についていくつか仮説を立てるに至っていて、今後計算科学的な解析を実施する予定である。また、藍藻Rubisco（SyRubisco）と好熱性藍藻Rubisco（ThRubisco）のHybrid Rubiscoの構造研究においても進展がみられた。ThRubiscoのラージサブユニットとSyRubiscoのスモールサブユニットが会合したHybrid Rubiscoにおいても2.28A分解能での構造解析にも成功した。このHybrid Rubiscoにおいても、スモールサブユニットが異なることによってkcatが変化する理由についていくつか仮説を立てている。(2)については、筑波大学のスーパーコンピュータCygnusを用いてRubiscoの計算科学的解析を実施し、全原子モデルを用いた高精度なMD計算により、数100ナノ秒のダイナミクス抽出に成功した。生化学解析についても、上述のイネの非光合成組織で発現するスモールサブユニットとイネラージサブユニットが会合した新規のHybrid Rubiscoの活性測定によって、kcatが上昇していることが確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1)についてはHybrid Rubiscoの2例の構造解析にも成功しており順調に進展している。(2)においても全原子モデルを用いた高精度なMD計算により、数100ナノ秒のダイナミクス抽出に成功して、さらに生化学解析も実施できており、順調に実施できている。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続いて、(1) Hybrid Rubiscoの精密構造解析、ならびに(2) Rubiscoの計算科学・生化学的解析を実施しすることで、Rubiscoを改良する構造的要因を決定する予定である。
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Report
(1 results)
Research Products
(17 results)
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[Journal Article] Structures of a FtsZ single protofilament and a double-helical tube in complex with a monobody2023
Author(s)
Junso Fujita, Hiroshi Amesaka, Takuya Yoshizawa, Kota Hibino, Natsuki Kamimura, Natsuko Kuroda, Takamoto Konishi, Yuki Kato, Mizuho Hara, Tsuyoshi Inoue, Keiichi Namba, Shun-ichi Tanaka, Hiroyoshi Matsumura
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 14
Issue: 1
Pages: 4073-4073
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] 光合成における炭素同化反応の構造生物学研究2022
Author(s)
松村 浩由
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Journal Title
Nihon Kessho Gakkaishi
Volume: 64
Issue: Supplement
Pages: s3-s4
DOI
ISSN
0369-4585, 1884-5576
Year and Date
2022-11-26
Related Report
Peer Reviewed
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