タイプ1光合成生物のシトクロム複合体と反応中心の始原型共役反応機構

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 19H04724
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 大岡 宏造 大阪大学, 全学教育推進機構, 教授 (30201966)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 光合成 / 反応中心 / シトクロムbc複合体 / 電子伝達 / X線結晶構造解析 / NMR / 緑色イオウ細菌 / ヘリオバクテリア / 蛋白質 / 始原型シトクロム複合体 / NMR解析

Outline of Research at the Start

酸素発生型光合成生物の電子伝達鎖は、タイプ2およびタイプ1光合成生物から成立した。そのため植物の光化学系I反応中心（PS I）を取り巻く電子伝達反応の制御機構を真に理解するためには、タイプ1光合成生物である緑色イオウ細菌やヘリオバクテリアの電子伝達鎖の解析は必須である。本研究ではタイプ1光合成生物のプロトン駆動力生成に関与するシトクロム複合体の構造基盤を分子レベルで明らかにする。さらにシトクロム複合体と反応中心が構築する始原型共役反応機構を解明し、植物がもつプロトン駆動力の生成と制御機構の進化的成立過程を明らかにすることが最終目的である。

Outline of Annual Research Achievements

１．ヘリオバクテリア反応中心の結晶化・構造解析：ヘリオバクテリア反応中心のコアタンパクについては、ようやく空間群R32結晶（結晶学的非対称）の高分解能解析（分解能2.28Å）が終了した。2つの構造が最終的に得られ（Form 1とForm 2）、さらにForm 2のキノン結合部位周辺には2つのconformers（立体構造異性体; molAとmolB）が観察された。一方、ヘリオバクテリア反応中心は電子供与体としてシトクロムc（PetJ）、末端電子受容体としてFA/FBタンパク（PshB）をサブユニットとしてもつ複合体であるが、反応中心の可溶化・精製段階で容易に外れてしまうことが分かっている。そこでPetJおよびPshBの大腸菌による大量発現系を構築し、Ｘ線結晶構造解析に取り組んだ。さらに複合体としての分子構築の情報を得るためにCryo電顕による解析も進めたところ、コアタンパクにPshBを結合させた複合体についてはデータ取得に成功した。コアタンパクにPetJサブユニットを結合させた複合体も、現在、解析中である。
２．緑色イオウ細菌のRieske/cyt b型シトクロム複合体の可溶化・精製の検討：b-DDM以外の界面活性剤を試みた結果、コール酸・b-OGの混合界面活性剤による可溶化が最も効率よいことが判明した。
３．電子伝達タンパク質の分子間相互作用のNMR解析： これまでのRieske/cyt bシトクロム複合体とcyt c-556との分子間相互作用の解析から、Rieske の[2Fe-2S]クラスター近傍の相互作用部位が同定された。この構造情報をもとにドッキングモデルを構築したところ、水溶性タンパク質の電子伝達で見られるような静電的な長距離相互作用は必要ではなく、近接タンパク質間に生じる非極性相互作用により電子伝達に適した配向が実現することが明らかとなった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Soluble domains of cytochrome c-556 and Rieske iron?sulfur protein from Chlorobaculum tepidum: Crystal structures and interaction analysis (2023)
  • Author(s): Kishimoto Hiraku、Azai Chihiro、Yamamoto Tomoya、Mutoh Risa、Nakaniwa Tetsuko、Tanaka Hideaki、Miyanoiri Yohei、Kurisu Genji、Oh-oka Hirozo
  • Journal Title: Current Research in Structural Biology Volume: 5 Pages: 100101-100101
  • DOI: 10.1016/j.crstbi.2023.100101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Purification of Emu IgY for Therapeutic and Diagnostic Use Based on Monoclonal Secondary Antibodies Specific to Emu IgY (2022)
  • Author(s): Yamaki Kouya、Ohta Kiyoe、Kobayashi Norihiro、Morita Izumi、Kiguchi Yuki、Oyama Hiroyuki、Ito Ken、Nanbo Asuka、Oh-oka Hirozo、Koyama Yutaka、Kawata Yoshiki、Fujisawa Hirotaka、Ohta Mitsuhiro
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 45 Issue: 8 Pages: 1022-1026
  • DOI: 10.1248/bpb.b22-00220
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Year and Date: 2022-08-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy transfer fluctuation observed by single-molecule spectroscopy of red-shifted bacteriochlorophyll in the homodimeric photosynthetic reaction center (2022)
  • Author(s): Kondo Toru、Mutoh Risa、Arai Shun、Kurisu Genji、Oh-oka Hirozo、Fujiyoshi Satoru、Matsushita Michio
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 156 Issue: 10 Pages: 105102-105102
  • DOI: 10.1063/5.0077290
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy transfer and primary charge separation upon selective femtosecond excitation at 810 nm in the reaction center complex from Heliobacterium modesticaldum (2020)
  • Author(s): Kojima Risa、Yamamoto Hayata、Azai Chihiro、Uragami Chiasa、Hashimoto Hideki、Kosumi Daisuke、Oh-oka Hirozo
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 401 Pages: 112758-112758
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112758
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Green Bacteria ? Energy Transfer and Electron Transport (2020)
  • Author(s): Oh-oka Hirozo、Harada Jiro、Azai Chihiro.
  • Journal Title: Reference Module in Life Sciences Volume: 1 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1016/b978-0-12-819460-7.00031-1
  • ISBN: 9780128220405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cryogenic Single-Molecule Spectroscopy of the Primary Electron Acceptor in Photosynthetic Reaction Center (2020)
  • Author(s): T. Kondo, R. Mutoh, H. Tabe, G. Kurisu, H. Oh-oka, S. Fujiyoshi, and M. Matsushita
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: － Issue: 10 Pages: 3980-3986
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00891
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ヘリオバクテリア光合成反応中心のドナー/アクセプター側における反応特性 (2023)
  • Author(s): 小島理沙，浅井智広，牧野祐希，川本晃大，栗栖源嗣，大岡宏造
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Energy transfer reaction upon carotenoids excitation in the photosynthetic reaction center of heliobacteria (2022)
  • Author(s): R. Kojima, M. Kida, D. Kosumi and H. Oh-oka
  • Organizer: The 18th International Congress of Photosynthesis Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energy transfer fluctuation in the photosynthetic reaction center (2022)
  • Author(s): T. Kondo, R. Mutoh, S. Arai, G. Kurisu, H. Oh-oka, S. Fujiyoshi and M. Matsushita
  • Organizer: The 18th International Congress of Photosynthesis Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exciton states on the type-I reaction center of the green sulfur bacterium Chlorobaculum tepidum studied by genetic manipulation of bacteriochlorophyll a and the structure-based theoretical modeling (2022)
  • Author(s): C. Azai, H. Oh-oka, H. Kitoh-Nishioka, A. Kimura and S. Itoh
  • Organizer: The 18th International Congress of Photosynthesis Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge separation induced by a lower-energy bacteriochlorophyll in the reaction center complex of Heliobacterium modesticaldum (2022)
  • Author(s): R. Kojima, K. Hinago, H. Oh-oka, D. Kosumi, Y. Nagasawa and C. Azai
  • Organizer: 17th International Symposium on Phototrophic Prokaryotes
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure-function relationships between the Rieske/cytb complex and c-type cytochromes in photosynthetic green sulfur bacteria (2022)
  • Author(s): H. Kishimoto, R. Kawanami, C. Azai, R. Mutoh, H. Tanaka, Y. Miyanoiri,G. Kurisu and H. Oh-oka
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Analysis of excitation energy transfer of carotenoids in the reaction center of heliobacteria with femto-second pump-probe spectroscopy (2022)
  • Author(s): R. Kojima, M. Kida, D. Kosumi, H. Oh-oka
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 嫌気性緑色硫黄細菌におけるRieske/cytb複合体とc型シトクロムとの構造機能相関の解析 (2022)
  • Author(s): 岸本拓、浅井智広、武藤梨沙、田中秀明、宮ノ入洋平、栗栖源嗣、大岡宏造
  • Organizer: 第63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におけるカロテノイド励起後のエネルギー移動反応解析 (2022)
  • Author(s): 小島理沙、野原大暉、浅井智広、小澄大輔、大岡宏造
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Structure-function relationships between the Rieske/cytb complex and c-type cytochromes in anaerobic photosynthetic green sulfur bacteria (2021)
  • Author(s): H. Kishimoto, C. Azai, R. Mutoh, H. Tanaka, Y. Miyanoiri,G. Kurisu and H. Oh-oka
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 細菌と植物のもつ多様な光合成I 型反応中心の光捕集機能に関する比較 (2021)
  • Author(s): 木村明洋、鬼頭宏任、浜口祐、米倉功治、川上恵典、菓子野康浩、浅井智広、大岡宏造、伊藤繁
  • Organizer: 量子生命科学会第3回大会
• [Presentation] 緑色硫黄細菌におけるRieske/cytb複合体の嫌気的精製とc型シトクロムとの相互作用解析 (2021)
  • Author(s): 岸本拓、長岡孝浩、浅井智広、武藤梨沙、田中秀明、宮ノ入洋平、栗栖源嗣、大岡宏造
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Studies on interaction between Rieske/cytb complex and c-type cytochromes in strictly anaerobic photosynthetic green sulfur bacteria (2020)
  • Author(s): H. Kishimoto, T. Nagaoka, C. Azai, R. Mutoh, H. Tanaka, Y. Miyanoiri,G. Kurisu and H. Oh-oka
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Studies on excitation energy transfer and primary charge separation in the reaction center complex from Heliobacterium modesticaldum (2020)
  • Author(s): R. Kojima, H. Yamamoto, C. Azai, C. Uragami, H. Hashimoto,D. Kosumi, H. Oh-oka
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 緑色硫黄細菌におけるRieske/cytb複合体の精製検討とcyt c-556との相互作用部位の同定 (2020)
  • Author(s): 岸本拓、長岡孝浩、浅井智広、武藤梨沙、田中秀明、宮ノ入洋平、栗栖源嗣、大岡宏造
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Heliobacterium modesticaldumの反応中心におけるエネルギーおよび電子移動機構の時間分解分光測定 (2020)
  • Author(s): 小島理沙、山元颯太、浅井智広、小澄大輔、大岡宏造
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Time-resolved spectroscopy of electron transfer processes upon selective excitation in the reaction center complex from Heliobacterium modesticaldum (2019)
  • Author(s): R. Kojima, C. Azai, S. Ando, T. Nakaniwa, H. Tanaka, G. Kurisu, C. Uragami, H. Hashimoto, D. Kosumi, H. Oh-oka
  • Organizer: International Conference on Artificial Photosynthesis 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural Analysis of the homodimeric photosynthetic reaction center with bound quinone from Heliobacterium modesticaldum (2019)
  • Author(s): T. Nakaniwa, R. Mutoh, K. Fushimi, T. Kondo, C. Azai, S. Itoh, T. Mizoguchi, H. Tamiaki, H. Tanaka, H. Oh-oka, G. Kurisu
  • Organizer: International Symposium on Diffraction Structural Biology 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural Analysis of the homodimeric photosynthetic reaction center from Heliobacterium modesticaldum (2019)
  • Author(s): T. Nakaniwa, R. Mutoh, K. Fushimi, T. Kondo, C. Azai, S. Itoh, T. Mizoguchi, H. Tamiaki, H. Tanaka, H. Oh-oka, G. Kurisu
  • Organizer: 1st Japan-US Binational Semninar 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure-function relationships among the soluble domain of the Rieske protein and cytochromes in green sulfur bacteria (2019)
  • Author(s): H. Kishimoto, T. Yamamoto, R. Mutoh, H. Tanaka, G. Kurisu, H. Oh-oka
  • Organizer: 1st Japan-US Binational Semninar 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Isolation of the Rieske/cytochrome b complex from green sulfur bacteria and interaction of the Rieske protein with cytochrome c-556 (2019)
  • Author(s): H. Kishimoto, T. Nagaoka, C. Azai, R. Mutoh, H. Tanaka, Y. Miyanoiri, G. Kurisu and H. Oh-oka
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Improved preparation of the reaction center complex from the green sulfur bacterium Chlorobaculum tepidum (2019)
  • Author(s): K. Wada, C. Azai, T. Nakaniwa, G. Kurisu and H. Oh-oka
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Heliobacterium modesticaldum光合成反応中心への選択励起における励起エネルギー移動および電子移動反応 (2019)
  • Author(s): 小島理沙、山元颯太、浅井智広、小澄大輔、大岡宏造
  • Organizer: 第30回光物性研究会
• [Book] 光合成 (2021)
  • Author(s): 日本光合成学会
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254171761
• [Book] 膜タンパク質工学ハンドブック 第3編 第7章「光合成電子伝達鎖における膜結合型シトクロム」 (2020)
  • Author(s): 岸本拓、大岡宏造（分担執筆）
  • Publisher: 株式会社エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860435370
• [Remarks] 光合成反応の分子機構
  • URL: https://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/~ohoka/
• [Remarks] 光合成反応の分子機構
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/~ohoka/index.html