Quinone transport mechanisms in the light-harvesting 1 reaction center complexes from phototrophic purple bacteria

• 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: 20H05101
• 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: Kobe University
• Principal Investigator: 木村 行宏 神戸大学, 農学研究科, 准教授 (20321755)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 紅色光合成細菌 / 光捕集１反応中心複合体 / キノン輸送 / キノン-キノール輸送機構 / 近赤外光 / 光捕集1反応中心複合体 / 赤外分光法

Outline of Research at the Start

地上に降り注ぐ近赤外光は未利用のエネルギー資源である。シアノバクテリアの祖先種である紅色光合成細菌は、この近赤外光を利用した光物質変換が可能である。紅色細菌の反応中心では光エネルギーによってキノンがキノールに変換され、これが光合成膜内を拡散輸送されることにより、暗反応に必要な還元力が運搬されると推測されているが、実験的な証拠は得られていない。
本研究では紅色細菌の光合成膜を再構成する手法を確立し、キノン還元からキノール輸送に至るキノン動態を振動分光学的にモニタリングする。キノン、タンパク質、脂質置換の効果を比較検討することにより、光合成キノン-キノール輸送機構の解明に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では紅色細菌由来のLH1-RC、キノン、脂質を用いて光合成膜を再構成する手法を確立し、様々な組み合わせで再構成した膜について、キノン還元からキノール輸送に至るキノン動態をモニタリングすることにより、膜内部におけるキノン動態の直接的な実験的証拠を得ること、ならびにキノン-タンパク質間相互作用やキノン-脂質間相互作用を検証することにより、キノン-キノール輸送経路およびその分子機構を明らかにすることを目的とした。具体的には、(1) 天然および人工再構成膜調製法の確立、(2) 光合成膜およびLH1-RCにおけるキノール生成の検出、(3) 天然再構成膜、人工再構成膜におけるキノール生成の検出、(4) 再構成膜系キノール生成における同位体置換、キノン置換、脂質置換の効果、(5) ATR-FTIRおよびHPLCを用いた遊離キノールの検出、(6) 形状の異なるLH1-RCを用いた比較研究について検討してきた。
本年度は(3)、(4)の人工再構成膜の系について重点的に研究を進めた。主要構成脂質であるCardiolipin、Phosphatidylglycerol、Phosphatidylethanolamine、Phosphatidylcholineを用いた人工膜の再構成条件を最適化し、光誘起赤外分光法によるキノン・キノール由来の信号検出に成功した。(5)については遊離キノンが検出されなかったことから、LH1-RCのキノン輸送において膜脂質の重要性が示唆された。(6)については、C字型のLH1、キノン輸送関連タンパク質であるPuf XやProtein Uを有するRba. sphaeroidesを用いて測定を行なった結果、キノンの還元に対するC字型リング形状、Puf XやProtein U欠損の効果はほとんど見られなかったが、キノンの拡散輸送に対する効果について現在も検証を進めている。

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

• [Int'l Joint Research] Southern Illinois University(米国)
• [Int'l Joint Research] Photosynthesis Research Center(中国)
• [Int'l Joint Research] Southern Illinois University(米国)
• [Int'l Joint Research] Photosynthesis Research Center(中国)
• [Int'l Joint Research] Leibniz-Institute DSMZ(ドイツ)
• [Journal Article] Salt- and pH-Dependent Thermal Stability of Photocomplexes from Extremophilic Bacteriochlorophyll b-Containing Halorhodospira Species (2022)
  • Author(s): Kimura Yukihiro、Nakata Kazuna、Nojima Shingo、Takenaka Shinji、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Microorganisms Volume: 10 Issue: 5 Pages: 959-959
  • DOI: 10.3390/microorganisms10050959
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Ca2+-binding motif underlies the unusual properties of certain photosynthetic bacterial core light-harvesting complexes (2022)
  • Author(s): Tani Kazutoshi、Kobayashi Kazumi、Hosogi Naoki、Ji Xuan-Cheng、Nagashima Sakiko、Nagashima Kenji V.P.、Izumida Airi、Inoue Kazuhito、Tsukatani Yusuke、Kanno Ryo、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Ishikawa Isamu、Okura Yoshihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: - Issue: 6 Pages: 101967-101967
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.101967
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of metal-sensitive structural changes in the Ca²⁺-binding photocomplex from <i>Thermochromatium tepidum</i> by isotope-edited vibrational spectroscopy (2022)
  • Author(s): Kimura Yukihiro、Imanishi Michie、Li Yong、Yura Yuki、Ohno Takashi、Saga Yoshitaka、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 156 Issue: 10 Pages: 105101-105101
  • DOI: 10.1063/5.0075600
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Asymmetric structure of the native Rhodobacter sphaeroides dimeric LH1?RC complex (2022)
  • Author(s): Tani Kazutoshi、Kanno Ryo、Kikuchi Riku、Kawamura Saki、Nagashima Kenji V. P.、Hall Malgorzata、Takahashi Ai、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1904-1904
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29453-8
  • 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] 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] 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] 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] Spectral Properties of Chlorophyll <i>f</i> in the B800 Cavity of Light‐harvesting Complex 2 from the Purple Photosynthetic Bacterium <i>Rhodoblastus acidophilus</i> (2021)
  • Author(s): Saga Yoshitaka、Tanaka Aiko、Yamashita Madoka、Shinoda Toshiyuki、Tomo Tatsuya、Kimura Yukihiro
  • Journal Title: Photochemistry and Photobiology Volume: 98 Issue: 1 Pages: 169-174
  • DOI: 10.1111/php.13491
  • Peer Reviewed / 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] 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] Excitation Energy Transfer from Bacteriochlorophyll b in the B800 Site to B850 Bacteriochlorophyll a in Light-Harvesting Complex 2 (2021)
  • Author(s): Saga Yoshitaka、Yamashita Madoka、Masaoka Yuto、Hidaka Tsubasa、Imanishi Michie、Kimura Yukihiro、Nagasawa Yutaka
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 125 Issue: 8 Pages: 2009-2017
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c09605
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quinone transport in the closed light-harvesting 1 reaction center complex from the thermophilic purple bacterium Thermochromatium tepidum (2021)
  • Author(s): Kishi Rikako、Imanishi Michie、Kobayashi Masayuki、Takenaka Shinji、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Kimura Yukihiro
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics Volume: 1862 Issue: 1 Pages: 148307-148307
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148307
  • 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
• [Presentation] 紅色光合成細菌の光捕集タンパク質LH2へ再構成したホルミル基含有クロロフィルのスペクトル特性 (2021)
  • Author(s): 田中愛子, 山下眞花, 篠田稔行, 鞆達也, 木村行宏, 佐賀佳央
  • Organizer: 第15回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 紅色光合成細菌Thermochromatium tepidumのLH2タンパク質に結合するB800バクテリオクロロフィルaの選択的酸化 (2021)
  • Author(s): 平尾遥奈, 木村行宏, 大友征宇, 佐賀佳央
  • Organizer: 第15回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 紅色光合成細菌のキノン輸送におけるリン脂質の寄与 (2021)
  • Author(s): 中元陽介, 岸利華子, 竹中慎治, 大友征宇, 木村行宏
  • Organizer: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 3つの好極限性を有する紅色光合成細菌Halorhodospira halochlorisの特性解析 (2021)
  • Author(s): 中田和菜, 能島紳吾, 山下琢也, 秋本誠志, 小林正幸, 竹中慎治, Madigan, M.T, 大友征宇, 木村行宏
  • Organizer: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] カロテノイド生合成系の調節による紅色細菌の熱耐性への適応 (2021)
  • Author(s): 小林拓己, 高市真一, 木村行宏, 大友征宇
  • Organizer: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] LH2タンパク質のB800部位へのクロロフィルb/d/fの再構成：分光特性とタンパク質との相互作用 (2021)
  • Author(s): 平尾遥奈, 井城ひなた, 淺川雅, 近藤政晴, 出羽毅久, 木村行宏, 大友征宇, 佐賀佳央
  • Organizer: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] Oxidation of B800 Bacteriochlorophyll a in LH2 Protein from the Purple Photosynthetic Bacterium Thermochromatium tepidum (2021)
  • Author(s): Hirao, H, Kimura, Y, Wang-Otomo, Z-.Y. Saga
  • Organizer: SNCPP21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 紅色光合成細菌のLH12タンパク質へのホルミル基を有するクロロフィルの再構成 (2021)
  • Author(s): 田中愛子, 山下眞花, 篠田稔行, 木村行宏, 鞆達也, 佐賀佳央
  • Organizer: 第47回生体分子科学討論会
• [Remarks] 神戸大学大学院農学研究科微生物資源化学研究室ホームページ
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/ans-bpc/
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0140338
• [Remarks] ResearchGate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Yukihiro-Kimura-2