Publicly Offered Research
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
光合成を担うチラコイド膜では、光合成反応に伴って膜間にプロトン濃度勾配が生じる。このプロトン濃度勾配を最適化する分子機構がチラコイド膜には備わっている。すなわち、過剰な光エネルギーを散逸させるNPQと、二種類の光化学系（PSI、PSII）の駆動バランスを調節するステート遷移である。本研究課題では、チラコイド膜において生じるプロトン駆動力の制御に関連する現象(NPQ、ステート遷移)において、光合成タンパク質にどのような変化が生じるのか、高速原子間力測定により1分子レベルで明らかにする。
チラコイド膜内に存在する光合成膜タンパク質の構造ダイナミクスをナノメートル程度の空間分解能で直接観察するため、高速原子間力顕微鏡測定を行った。主に高等植物において光合成の初期反応を担うグラナ膜に局在するPSIIを対象に研究を行った。その結果、(1)グラナ膜内でPSIIが側方拡散する様子ならびに、(2)PSIIとそれに結合したLHCIIより形成される複合体（PSII-LHCII超複合体）を1分子レベルで直接観察することに成功した。(1)PSII二量体同士で結合したり解離したりしながらグラナ膜内を側方拡散する様子を観察することができた。グラナ膜に存在するPSIIは環境の光強度によって吸収した光エネルギーの変換効率を調節することが知られている。今後異なる光環境のもとでPSII間の結合解離ダイナミクスを解析することで、PSIIの膜内構造ダイナミクスとエネルギー変換調節機能との相関について新しい知見を得ることができると期待される。(2)PSIIは水を分解し酸素を発生するタンパク質であり、PSIIに結合するLHCIIは集めた光エネルギーをPSIIへ渡す役割を担っている。高速原子間力顕微鏡測定により、PSIIとそこに4個のLHCIIが結合したPSII-LHCII超複合体構造を、グラナ膜内に存在する状態で直接観察することに成功した。これまでにクライオ電子顕微鏡によって明らかにされたPSII-LHCIIの構造と比較したところ、超複合体の全体構造は一致していた。さらに、超複合体に含まれるCP26などのタンパク質も高速原子間力顕微鏡で観察できるていることも明らかになった。この結果は、光合成膜タンパク質のその場1分子構造解析が可能であることを示唆している。
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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