Reconstitution and functional analysis of photosynthetic machinery in a patterned model membrane

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 19H04725
• 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: Kobe University
• Principal Investigator: 森垣 憲一 神戸大学, バイオシグナル総合研究センター, 准教授 (10358179)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 光合成 / チラコイド膜 / 人工膜 / 蛍光 / 電子伝達

Outline of Research at the Start

チラコイド膜における構成タンパク質の2次元分布や相互作用が光合成電子伝達、プロトン濃度勾配をどのように制御するかは、光合成機能に本質的に重要でありながら葉緑体を用いた解析が難しく、理解が充分にできていない難問題である。本研究は、チラコイド膜をガラス基板表面に再構成し、光合成関連タンパク質群の2次元分布が光合成電子伝達とプロトン濃度勾配形成に与える影響を解析する技術を開発する。光合成電子伝達機構を完全な形で再構成し光合成関連分子の動的分布、機能を定量的に解析することで、これまでブラックボックスであった光合成分子機構を詳細に解析する手法論を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

高等植物の光合成を行うチラコイド膜には、光合成電子伝達を通じて光エネルギーを化学エネルギーに変換する多様な分子群が2次元膜内に配置されている。本研究は、チラコイド膜における光合成関連タンパク質の動的な分子分布や超分子構造形成が光合成機能にどのように寄与するかを、分子レベルで定量的に解析できる革新的なin vitro評価技術として、固体基板表面に人工チラコイド膜を形成し高感度で機能解析する技術を開発した。そのため、光リソグラフィー技術によりパターン化形成されたポリマー脂質膜に、植物由来のチラコイド膜を導入した。チラコイド膜を高圧処理により断片化し、リン脂質ベシクルを融合促進剤として添加することでパターン化人工膜に導入できることを発見した。そして、チラコイド膜とリン脂質ベシクルの量比を調節することで、区画内に任意の密度でチラコイド膜を導入できることが分かった。電子受容体や阻害剤存在下でのクロロフィル蛍光計測から、光化学系II（PSII）の電子伝達活性の一部が保持されていることが示唆された。一方、低温蛍光観測の結果より、人工チラコイド膜において光化学系I（PSI）は複合体を維持しているものの、PSIIは反応中心と集光性クロロフィルタンパク質複合体（LHCII）が分離していることが示唆された。現在、低温での蛍光イメージング、高速AFMなどを用いて人工チラコイド膜における分子分布を検証しており、今後分子分布の精密計測・操作を通じて光合成機能における分子分布の役割を解明してゆきたい。

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

• [Int'l Joint Research] University of Leeds(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Leeds(英国)
• [Journal Article] Reconstitution of Membrane Proteins into a Model Biological Membrane (2021)
  • Author(s): Nagai Rurika、Sugimachi Ayane、Tanimoto Yasushi、G. N. Suzuki Kenichi、Hayashi Fumio、S. Kasai Rinshi、Morigaki Kenichi
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 141 Issue: 12 Pages: 1340-1343
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.141.1340
  • NAID: 130008123504
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Year and Date: 2021-12-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Substrate-supported Model Membrane as a Versatile Analytical/Biosensing Platform (2021)
  • Author(s): Morigaki Kenichi
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 37 Issue: 5 Pages: 683-689
  • DOI: 10.2116/analsci.20SCR10
  • NAID: 130008036567
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2021-05-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Patterned Model Biological Membrane Composed of Polymerizable and Natural Lipids for Reconstituting the Membrane Functions (2021)
  • Author(s): Morigaki Kenichi
  • Journal Title: MEMBRANE Volume: 46 Issue: 2 Pages: 65-70
  • DOI: 10.5360/membrane.46.65
  • NAID: 130008021542
  • ISSN: 0385-1036, 1884-6440
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Model Lipid Membranes Assembled from Natural Plant Thylakoids into 2D Microarray Patterns as a Platform to Assess the Organization and Photophysics of Light‐Harvesting Proteins (2021)
  • Author(s): Meredith Sophie A.、Yoneda Takuro、Hancock Ashley M.、Connell Simon D.、Evans Stephen D.、Morigaki Kenichi、Adams Peter G.
  • Journal Title: Small Volume: 17 Issue: 14 Pages: 2006608-2006608
  • DOI: 10.1002/smll.202006608
  • NAID: 120007026368
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Functional Reconstitution of Dopamine D2 Receptor into a Supported Model Membrane in a Nanometric Confinement (2021)
  • Author(s): Nagai Rurika、Sugimachi Ayane、Tanimoto Yasushi、Suzuki Kenichi G. N.、Hayashi Fumio、Weikert Dorothee、Gmeiner Peter、Kasai Rinshi S.、Morigaki Kenichi
  • Journal Title: Advanced Biology Volume: 5 Issue: 12 Pages: 2100636-2100636
  • DOI: 10.1002/adbi.202100636
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photosynthetic model membranes of natural plant thylakoid embedded in a patterned polymeric lipid bilayer (2020)
  • Author(s): Yoneda, T., Tanimoto, Y., Takagi, D., Morigaki, K.
  • Journal Title: Langmuir Volume: in press Issue: 21 Pages: 5863-5871
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c00613
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The effects of phospholipids and fatty acids on the oligomer formation of NAP-22 (2020)
  • Author(s): Odagaki Sin-Ichi、Maekawa Shohei、Hayashi Fumio、Suzaki Toshinobu、Morigaki Kenichi
  • Journal Title: Neuroscience Letters Volume: 736 Pages: 135288-135288
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2020.135288
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New lipid membrane technologies for reconstitution, analysis, and utilization of ‘living’ membrane proteins (2020)
  • Author(s): Yasuhara Kazuma、Morigaki Kenichi
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 17 Issue: 0 Pages: 125-129
  • DOI: 10.2142/biophysico.bsj-2020021
  • NAID: 130007927236
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Affinity of rhodopsin to raft enables the aligned oligomer formation from dimers: Coarse-grained molecular dynamics simulation of disk membranes (2020)
  • Author(s): Kaneshige Y, Hayashi F, Morigaki K, Tanimoto Y, Yamashita H, Fuji M, Awazu A.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 15 Issue: 2 Pages: e0226123-e0226123
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0226123
  • NAID: 120006818744
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alteration of membrane physicochemical properties by two factors for membrane protein integration (2019)
  • Author(s): Nomura K, Yamaguchi T, Mori S, Fujikawa K, Nishiyama K, Shimanouchi T, Tanimoto Y, Morigaki K, Shimamoto K.
  • Journal Title: Biophys. J. Volume: 117 Issue: 1 Pages: 99-110
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2019.05.014
  • NAID: 120006844183
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Raftophilic rhodopsin clusters offer stochastic platforms for G protein signalling in retinal discs (2019)
  • Author(s): Hayashi F, Saito N, Tanimoto Y, Okada K, Morigaki K, Seno K, Maekawa S.
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 2 Issue: 1 Pages: 209-209
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0459-6
  • NAID: 120006653145
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Patterned Model Membrane for the Functional Studies of the Biological Membrane (2019)
  • Author(s): 森垣憲一
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 59 Issue: 4 Pages: 188-191
  • DOI: 10.2142/biophys.59.188
  • NAID: 130007683538
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-spreading of phospholipid bilayer in a patterned framework of polymeric bilayer (2019)
  • Author(s): Tamura F,Tanimoto Y, Nagai R, Hayashi F, Morigaki K.
  • Journal Title: Langmuir Volume: 35 Issue: 45 Pages: 14696-14703
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02685
  • NAID: 120006775955
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Reconstitution of membrane proteins into a micropatterned model membrane (2022)
  • Author(s): Fuko Kueda, Fumio Hayashi, Kenichi Morigaki
  • Organizer: 12th International workshop on nanostructures and nanoelectronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hybrid membrane of reconstituted thylakoid membrane and patterned polymeric lipid bilayer scaffold (2022)
  • Author(s): Yuka Kusunoki, Takuro Yoneda, Sophie A. Meredith, Ashley M. Hancock, Daisuke Takagi, Seiji Akimoto, Stephen D. Evans, Peter G. Adams, Kenichi Morigaki
  • Organizer: ACS Spring 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 人工膜とナノ空間を用いた細胞膜構造の再構成と機能解析 (2021)
  • Author(s): 森垣 憲一
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会
  • Invited
• [Presentation] Model biological membrane reconstituted in a nanometric space (2021)
  • Author(s): Kenichi Morigaki
  • Organizer: ACS Spring 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Reconstitution of rhodopsin into a patterned model membrane using nanodisc formed from amphiphilic peptides (2021)
  • Author(s): Fuko Kueda, Fumio Hayashi, Kenichi Morigaki
  • Organizer: The 59th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
• [Presentation] Reconstitution of thylakoid membrane in a patterned model membrane (2021)
  • Author(s): Yuka Kusunoki, Daisuke Takagi, Seishi Akimoto, Syouhei Maekawa, Kenichi Morigaki
  • Organizer: The 59th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
• [Presentation] Functional reconstitution of dopamine D2 receptor into a supported model membrane in a nanometric confinement (2021)
  • Author(s): Ayane Sugimachi, Rurika Nagai, Kenichi G.N. Suzuki, Fumio Hayashi, Rinshi S. Kasai, Kenichi Morigaki
  • Organizer: The 59th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
• [Presentation] アミロイド線維形成とリン脂質二分子膜破壊との関係性の解明 (2020)
  • Author(s): 高山 宙輝, 曲師 香緒里, 森垣 憲一, 茶谷 絵理
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 基準振動解析を用いたロドプシンの動態予測と機能の連関 (2020)
  • Author(s): 金重 先人, 藤井 雅史, 林 文夫, 森垣 憲一, 山下 隼人, 粟津 暁紀
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 高速AFMによるロドプシンクラスター上トランスデューシン動的過程の観察 (2020)
  • Author(s): 干鰯谷 和彦, 山下 隼人, 林 文夫, 森垣 憲一 , 藤井 雅史, 粟津 暁紀, 阿部 真之
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 脂質二分子膜に働く光捕捉力の検証 (2020)
  • Author(s): 石原 悠人, 岸本 龍典, 杭田 芙子, 工藤 卓, 森垣 憲一, 細川 千絵
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Hybrid photosynthetic system of natural plant thylakoids and synthetic lipids reconstituted into a supported microscale membrane array (2020)
  • Author(s): Kenichi Morigaki, Fuyuko Tamura, Yasushi Tanimoto, Rurika Nagai, Misato Yamada, Fumio Hayashi
  • Organizer: ACS National meeting ＆ Expo
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] パターン化人工膜への膜タンパク質の再構成 (2020)
  • Author(s): 永井るりか、谷本泰士、笠井倫志、鈴木健一、林 文夫、森垣憲一
  • Organizer: 光・量子デバイス研究会
• [Presentation] Patterned model biological membrane on the solid substrate: Potentials for biophysical studies and biomedical applications (2019)
  • Author(s): Kenichi Morigaki
  • Organizer: Okinawa Colloids 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Micropatterned model biological membrane: Potentials for biophysical studies and biomedical applications (2019)
  • Author(s): Kenichi Morigaki
  • Organizer: MNP Reserch Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Micropatterned model biological membrane: Potentials for biophysical studies and biomedical applications (2019)
  • Author(s): Kenichi Morigaki
  • Organizer: Bio-Nano-Summer school 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ガラス基板表面におけるチラコイド膜の再構成と光合成機能解析 (2019)
  • Author(s): 米田 卓郎、谷本 泰士、高木 大輔、森垣 憲一
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 網膜桿体細胞内円盤膜上での脂質-光受容タンパク質秩序形成の数理モデル (2019)
  • Author(s): 金重 先人、谷本 泰士、西森 拓、森垣 憲一、林 文夫、粟津 暁紀
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] インクジェット塗布を用いたパターン化人工生体膜の開発 (2019)
  • Author(s): 谷本 泰士、山田 美紗登、林 文夫、森垣 憲一
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] ロドプシンクラスター上におけるトランスデューシンの動的過程の高速AFM観察 (2019)
  • Author(s): 干鰯谷 和彦、谷本 泰士、山下 隼人、森垣 憲一、林 文夫、阿部 真之
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] リン酸化ロドプシン・アレスチン複合体は視細胞円板膜切れ込み部に集まる (2019)
  • Author(s): 林 文夫、杭田 扶子、 森垣 憲一、 妹尾 圭司
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 細胞膜断片ブレブを用いたモデル生体膜への膜タンパク質再構成 (2019)
  • Author(s): 永井るりか、谷本泰士、笠井倫志、鈴木健一、林 文夫、森垣憲一
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] パターン化モデル膜を用いたロドプシンリン酸化とアレスチン結合の解析 (2019)
  • Author(s): 杭田 芙子、谷本 泰士、林 文夫、森垣 憲一
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Reconstitution of a photosynthetic system into a two-dimensional patterned model membrane (2019)
  • Author(s): TakuroYoneda, Yasushi Tanimoto, Daisuke Takagi, Kenichi Morigaki
  • Organizer: 日米二国間セミナー
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] パターン化人工生体膜を用いた光合成機能評価技術の開発 (2019)
  • Author(s): 米田 卓郎、谷本 泰士、高木 大輔、森垣 憲一
  • Organizer: 第10回日本光合成学会年会
• [Remarks] 神戸大学 森垣研究室
• [Remarks] http://www2.kobe-u.ac.jp/~morigaki/jp/index.html
• [Remarks] 神戸大学 森垣研究室
  • URL: http://www2.kobe-u.ac.jp/~morigaki/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 膜タンパク質を含む人工生体膜 (2021)
  • Inventor(s): 森垣憲一、林文夫
  • Industrial Property Rights Holder: 神戸大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-173293
  • Filing Date: 2021