光合成複合体間の電子伝達における構造基盤の解明

• Project Area: Creation of novel light energy conversion system through elucidation of the molecular mechanism of photosynthesis and its artificial design in terms of time and space
• Project/Area Number: 20H05086
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 大友 征宇 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10213612)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 光合成 / 電子伝達 / 光電変換

Outline of Research at the Start

天然光合成の初期過程は集光、光電変換と電子移動間の連係プレイである。本研究では光捕集・電荷分離・電子伝達の３機能を併せもつ超分子複合体の共結晶化と構造解析を行い、これらの複合体間において機能調節を司る相互作用の構造基盤の解明を目指す。将来の工学的応用を見据えて高度に制御された光合成複合体間の共役機構に関する本研究の知見は、人工光合成における高効率のアンテナと光電変換素子の構築に対して根拠となる設計指針を与えるものと考えられる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、天然光合成の初期過程における集光・電荷分離と電子移動間の連係プレイ(Interplay)に関するものである。これらの素機能を担う光捕集複合体LH1、反応中心RC、水溶性電子伝達タンパク質HiPIPと膜内チトクロム(Cyt) bc1を研究対象とし、LH1-RC、HiPIPとCyt bc1からなる光捕集・電荷分離・電子伝達の３機能を併せもつ超分子複合体の共結晶化と構造解析を行い、これらの複合体間において機能調節を司る相互作用の構造基盤の解明を目指す。
本年度は好熱性光合成細菌Thermochromatium (Tch.) tepidum由来でHiPIPと光捕集反応中心複合体LH-RCからなる電子伝達複合体の共結晶構造を決定し、詳細な電子伝達経路を原子レベルで解析した。共結晶の構造に基づいて疎水性相互作用部位の特徴とFe-Sクラスターからスペシャルペアまでの電子伝達経路を調べたところ、電子伝達複合体の形成に伴う顕著な構造変化は両タンパク質の接触界面に限られ、特にheme-1はより歪んだコンフォメーションをとっていることがわかった。電子伝達経路について、電子は4Fe-4SクラスターのS1から出発し、S1→Leu63(HiPIP)→heme-1→heme-2→heme-4→heme-3→Tyr171(RC L-subunit)→Special pair (RC)の順に到達する経路が最適であることが明らかになった。この成果は国際学術誌（Nature Communications 12, 1104; 2021）に掲載された。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Crystal structure of a photosynthetic LH1-RC in complex with its electron donor HiPIP (2021)
  • Author(s): Kawakami Tomoaki、Yu Long-Jiang、Liang Tai、Okazaki Koudai、Madigan Michael T.、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1104-1104
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21397-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A previously unrecognized membrane protein in the Rhodobacter sphaeroides LH1-RC photocomplex (2021)
  • Author(s): Tani Kazutoshi、Nagashima Kenji V. P.、Kanno Ryo、Kawamura Saki、Kikuchi Riku、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 6300-6300
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26561-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photosynthetic Growth and Energy Conversion in an Engineered Phototroph Containing Thermochromatium tepidum Light-Harvesting Complex 1 and the Rhodobacter sphaeroides Reaction Center Complex (2021)
  • Author(s): Nagashima Kenji V. P.、Nagashima Sakiko、Kitashima Masaharu、Inoue Kazuhito、Madigan Michael T.、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 60 Issue: 36 Pages: 2685-2690
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.1c00462
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM Structure of the Photosynthetic LH1-RC Complex from Rhodospirillum rubrum (2021)
  • Author(s): Tani Kazutoshi、Kanno Ryo、Ji Xuan-Cheng、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 60 Issue: 32 Pages: 2483-2491
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.1c00360
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrostatic charge controls the lowest LH1 Qy transition energy in the triply extremophilic purple phototrophic bacterium, Halorhodospira halochloris (2021)
  • Author(s): Kimura Yukihiro、Nojima Shingo、Nakata Kazuna、Yamashita Takuya、Wang Xiang-Ping、Takenaka Shinji、Akimoto Seiji、Kobayashi Masayuki、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Yu Long-Jiang
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics Volume: 1862 Issue: 11 Pages: 148473-148473
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148473
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Circular dichroism and resonance Raman spectroscopies of bacteriochlorophyll b-containing LH1-RC complexes (2021)
  • Author(s): Kimura Y.、Yamashita T.、Seto R.、Imanishi M.、Honda M.、Nakagawa S.、Saga Y.、Takenaka S.、Yu L.-J.、Madigan M. T.、Wang-Otomo Z.-Y.
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 148 Issue: 1-2 Pages: 77-86
  • DOI: 10.1007/s11120-021-00831-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryo-EM structure of a Ca2+-bound photosynthetic LH1-RC complex containing multiple αβ-polypeptides (2020)
  • Author(s): Tani Kazutoshi、Kanno Ryo、Makino Yuki、Hall Malgorzata、Takenouchi Mizuki、Imanishi Michie、Yu Long-Jiang、Overmann Jorg、Madigan Michael T.、Kimura Yukihiro、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4955-4955
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18748-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lycopene-Family Carotenoids Confer Thermostability on Photocomplexes from a New Thermophilic Purple Bacterium (2020)
  • Author(s): Seto Ryuta、Takaichi Shinichi、Kurihara Toshiyuki、Kishi Rikako、Honda Mai、Takenaka Shinji、Tsukatani Yusuke、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Kimura Yukihiro
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 59 Issue: 25 Pages: 2351-2358
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00192
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The two light-harvesting membrane chromoproteins of Thermochromatium tepidum expose distinct robustness against temperature and pressure (2020)
  • Author(s): Kangur Liina、Ratsep Margus、Timpmann K.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Freiberg Arvi
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics Volume: 1861 Issue: 8 Pages: 148205-148205
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148205
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct injection of pigment-protein complexes and membrane fragments suspended in water from phototrophs to C18 HPLC (2020)
  • Author(s): Takaichi Shinichi、Okoshi Akira、Otomo Seiu、Misumi Masahiro、Sonoike Kintake、Harada Jiro
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 144 Issue: 1 Pages: 101-107
  • DOI: 10.1007/s11120-020-00735-w
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 紅色細菌の昇温培養に対するカロテノイド生合成系の調節 (2021)
  • Author(s): 大友征宇
  • Organizer: 光合成セミナー2021
• [Presentation] 極限環境下に生息する紅色細菌の光捕集複合体の多様性 (2020)
  • Author(s): 大友征宇
  • Organizer: 第５回光合成細菌ワークショップ
  • Invited
• [Book] 光合成細菌、第７章：７－２，７－５ (2020)
  • Author(s): 嶋田 敬三、高市 真一
  • Total Pages: 320
  • Publisher: 裳華房
  • ISBN: 9784785358709