Unveiling proton-motive force generation by bacterial type-1 photosynthetic reaction ceters

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 17H05731
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 浅井 智広 立命館大学, 生命科学部, 講師 (70706564)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 緑色硫黄細菌 / 光合成反応中心 / 電子移動 / FX / キノン / 過渡吸収 / ESR / プロトン駆動力

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は光合成細菌のもつType-1 RC（RC1）が、Type-3 RCとも言うべき、二機能性のRCであることの実証を目的としている。主要な課題としてRC1内のキノン電子受容体が光照射によって二重還元される現象の観測とメカニズムの解明を目指している。しかし現時点では、RC1においてキノンが電子受容体として機能しているかどうかさえも不確定であり、RC1内部でのキノン分子の結合部位や物性を決定することが最優先の課題となっている。昨年度までの研究成果として、超高速の過渡吸収分光法による電子移動解析により、緑色硫黄細菌Chlorobaculum tepidumのRC1には鉄硫黄クラスターFX以外の未同定の電子受容体の存在が示唆されていた。
平成30年度の研究では、C. tepidumのRC1に存在するFX以外の電子受容体がキノンである可能性を検証した。外部電子受容体の分子種を変えて超高速の過渡吸収分光法で順方向の電子移動反応を追跡したところ、還元型FXの酸化剤として機能するベンジルビオローゲンでは還元状態の未同定の電子受容体は酸化できず、また光酸化した一次電子供与体との電荷再結合は１ミリ秒よりも遅いことがわかった。これは、未同定の電子受容体がベンジルビオローゲンよりも酸化還元電位を有することを示唆しており、RC1では還元状態が非常に安定に保持されることを意味する。これは昨年度に得られた極低温での時間分解ESRの結果と矛盾せず、未同定の電子受容体がキノンであることを強く支持する結果となった。一方、未同定の電子受容体が還元状態で蓄積している条件においても、FXへの電子移動は依然として観測されたことから、キノンとFXはともに末端電子受容体として機能することが実証された。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アリゾナ州立大学分子科学校/アリゾナ州立大学バイオデザイン研究所(米国)
• [Journal Article] Soft X-ray imaging of cellular carbon and nitrogen distributions in heterocystous cyanobacteria (2018)
  • Author(s): Takahiro Teramoto, Chihiro Azai, Kazuki Terauchi, Masashi Yoshimura, Toshiaki Ohta
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: - Issue: 1 Pages: 52-61
  • DOI: 10.1104/pp.17.01767
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Light-Induced Electron Spin-Polarized (ESP) EPR Signal of the P800+ Menaquinone? Radical Pair State in Oriented Membranes of Heliobacterium modesticaldum: Role/Location of Menaquinone in the Homodimeric Type I Reaction Center (2018)
  • Author(s): Kondo Toru、Matsuoka Masahiro、Azai Chihiro、Kobayashi Masami、Itoh Shigeru、Oh-oka Hirozo
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 122 Issue: 9 Pages: 2536-2543
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b12171
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid C8-vinyl reduction of divinyl-chlorophyllide a by BciA from Rhodobacter capsulatus (2018)
  • Author(s): Azai Chihiro、Kobayashi Manami、Mizoguchi Tadashi、Tamiaki Hitoshi、Terauchi Kazuki、Tsukatani Yusuke
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 353 Pages: 661-666
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2017.09.010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determination of carbon-to-nitrogen ratio in the filamentous and heterocystous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 with single-cell soft X-ray imaging (2017)
  • Author(s): T.Teramoto, M.Yoshimura, C.Azai, K.Terauchi and T.Ohta
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 849 Pages: 012005-012005
  • DOI: 10.1088/1742-6596/849/1/012005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Primary dynamics of photosynthetic process in the reaction center of green sulfur bacteria (2019)
  • Author(s): K. Sugihara, M. Hoashi, C. Azai, Y. Nagasawa
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会(2019)
• [Presentation] 緑色硫黄細菌Chlorobaculum tepidumの光合成反応中心における外部フィロキノンによる電荷分離反応の促進 (2019)
  • Author(s): 浅井 智広，Su Lin，Kevin E. Redding
  • Organizer: 第60回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] The orientation of menaquinone in the heliobacterial reaction center analyzed with the EPR spectroscopy (2018)
  • Author(s): T. Kondo, C. Azai, S. Itoh, H. Oh-oka
  • Organizer: 第56回 日本生物物理学会年会
• [Presentation] X-ray structure of the type-I reaction center from Heliobacterium modesticaldum at 3.2 angstrom resolution (2018)
  • Author(s): T. Nakaniwa, R. Mutoh, K. Fushimi, A. Yasuda, T. Mizoguchi, H. Tamiaki, C. Azai, H. Tanaka, S. Itoh, H. Oh-oka, G. Kurisu
  • Organizer: 第56回 日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Symmetry or asymmetry? - Site-specific structural modification of the homodimeric photosynthetic reaction center of green sulfur bacteria (2018)
  • Author(s): C. Azai
  • Organizer: 第56回 日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Menaquinone (MQ) in the reaction center of Heliobacterium modesticaldum studied by ESP-EPR signal of P800+MQ-: its implication in the 3D structure (2018)
  • Author(s): H. Oh-oka, T. Kondo, C. Azai, T. Nakaniwa, H. Tanaka, G. Kurisu, S. Itoh
  • Organizer: 16th International Symposium on Phototrophic Prokaryotes
• [Presentation] 光化学系I型反応中心の紅色光合成細菌への導入 (2018)
  • Author(s): 塚谷 祐介，浅井 智広，原田 二朗，溝口 正，民秋 均，増田 真二
  • Organizer: 第59回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 軟X線顕微鏡を用いた糸状性シアノバクテリアにおける光合成発生酸素の直接観察 (2018)
  • Author(s): 寺本 高啓，浅井 智広，吉村 真史，寺内 一姫，太田 俊明
  • Organizer: 第59回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] ヘリオバクテリア光合成反応中心のドナー側とアクセプター側における電子伝達反応の解析 (2017)
  • Author(s): R. Kojima, C. Azai, S. Itoh, H. Oh-oka
  • Organizer: 第55回 日本生物物理学会年会
• [Presentation] 軟X線ライブセルイメージングによるシアノバクテリアの細胞内元素濃度の可視化 (2017)
  • Author(s): T. Teramoto, C. Azai, M. Yoshimura, K. Terauchi, T. Ohta
  • Organizer: 第55回 日本生物物理学会年会