光合成超複合体のエネルギー伝達機構の解明

• 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: 20H05109
• 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: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 川上 恵典 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 研究員 (40619904)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 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: 光合成 / 光捕集 / フィコビリソーム / クライオ電子顕微鏡 / 単粒子構造解析 / 構造生物化学 / 光エネルギー / 電子顕微鏡

Outline of Research at the Start

本研究は、温泉に生息する好熱性シアノバクテリアのフィコビリソーム（PBS）及びPBS-光化学系超複合体（PBS-PSIIとPBS-PSI）の高分解能クライオ電子顕微鏡解析を行うことでそれらの立体構造を解析し、藻類の高効率な光エネルギー伝達様式を解明することが目的である。このため、PBS及びPBSを構成するフィコシアニン（PC）複合体、PBS-光化学系超複合体（PBS-PSIIとPBS-PSI）の試料調製とそれらのクライオ電子顕微鏡解析を進めていく。本研究で得られた知見を人工光合成研究に取り組むことによって、高効率光エネルギー伝達システムの構築を進めていくことができると期待される。

Outline of Annual Research Achievements

シアノバクテリア・紅藻・灰色藻といった多くの藻類は、光合成の初期反応において太陽光エネルギーを集光性アンテナタンパク質（LHC）によって吸収し、その後水分子を分解して酸素と電子、そしてプロトンを放出する。フィコビリソーム（PBS）は多くの藻類がもつ巨大な光捕集アンテナタンパク質であり、吸収した光エネルギーを光化学系蛋白質（光化学系IとII）に伝達する。本研究では、好熱性シアノバクテリア由来PBSの立体構造とその内部のエネルギー伝達様式を明らかにし、さらにPBSとPSIIの相互作用を解析するため、まずはPBSの中心部位（PBS core）とアンテナ部位に相当するフィコシアニンロッド（PC rod）の構造解析を行った。
クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析によって、好熱性シアノバクテリア由来のPBS coreとPC rodの構造をそれぞれ3.7 Åと4.2 Å分解能で解析した。PBS coreはアロフィコシアニン蛋白質群（ApcA, ApcB, ApcC, ApcD, ApcE, ApcF）で構成され、ApcEとApcDはリンカー蛋白質と呼ばれる光化学系蛋白質にエネルギー伝達を行う重要なサブユニットである。本研究では、これらのサブユニットの配置とその詳細な相互作用を明らかにすることができた。
そしてPCロッドの単粒子構造解析から、PC内部に結合するリンカータンパク質（CpcD, CpcC, CpcG）の配置を明らかにし、これらリンカータンパク質によってPCロッド内の相互作用が大きく変化していることが明らかとなった。

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] Structural basis for the absence of low-energy chlorophylls in a photosystem I trimer from Gloeobacter violaceus (2022)
  • Author(s): Kato Koji、Hamaguchi Tasuku、Nagao Ryo、Kawakami Keisuke、Ueno Yoshifumi、Suzuki Takehiro、Uchida Hiroko、Murakami Akio、Nakajima Yoshiki、Yokono Makio、Akimoto Seiji、Dohmae Naoshi、Yonekura Koji、Shen Jian-Ren
  • Journal Title: eLife Volume: 11 Pages: 1-34
  • DOI: 10.7554/elife.73990
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast energy transfer dynamics of phycobilisome from Thermosynechococcus vulcanus, as revealed by ps fluorescence and fs pump-probe spectroscopies (2021)
  • Author(s): Hirota Yuma、Serikawa Hiroki、Kawakami Keisuke、Ueno Masato、Kamiya Nobuo、Kosumi Daisuke
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 148 Issue: 3 Pages: 181-190
  • DOI: 10.1007/s11120-021-00844-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural implications for a phycobilisome complex from the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus vulcanus (2021)
  • Author(s): Kawakami Keisuke、Nagao Ryo、Tahara Yuhei O.、Hamaguchi Tasuku、Suzuki Takehiro、Dohmae Naoshi、Kosumi Daisuke、Shen Jian-Ren、Miyata Makoto、Yonekura Koji、Kamiya Nobuo
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics Volume: 1862 Issue: 9 Pages: 148458-148458
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148458
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of the far-red light utilizing photosystem I of Acaryochloris marina (2021)
  • Author(s): Hamaguchi Tasuku、Kawakami Keisuke、Shinzawa-Itoh Kyoko、Inoue-Kashino Natsuko、Itoh Shigeru、Ifuku Kentaro、Yamashita Eiki、Maeda Kou、Yonekura Koji、Kashino Yasuhiro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2333-2333
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22502-8
  • NAID: 120007032350
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of PG-surfactants bearing polyacrylamide polymer chain to solubilize membrane proteins in a surfactant-free buffer (2021)
  • Author(s): Taro Shimamoto, Tatsuki Nakakubo, Tomoyasu Noji, Shuhei Koeda, Keisuke Kawakami, Nobuo Kamiya, Toshihisa Mizuno
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 4 Pages: 1524-1524
  • DOI: 10.3390/ijms22041524
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoprotective Capabilities of Light-Harvesting Complex II Trimers in the Green Alga Chlamydomonas reinhardtii (2020)
  • Author(s): Kim Eunchul、Kawakami Keisuke、Sato Ryoichi、Ishii Asako、Minagawa Jun
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 18 Pages: 7755-7761
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02098
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photocurrent generation by a photosystem I-NiO photocathode for a p-type biophotovoltaic tandem cell (2020)
  • Author(s): Yuya Takekuma, Nobuhiro Ikeda, Keisuke Kawakami, Nobuo Kamiya, Mamoru Nango, and Morio Nagata
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 10 Issue: 27 Pages: 15734-15739
  • DOI: 10.1039/d0ra01793k
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 巨大アンテナ蛋白質フィコビリソームコアの クライオ電子顕微鏡解析 (2022)
  • Author(s): 〇川上恵典、浜口祐、広瀬侑、小澄大輔、宮田真人、神谷信夫、米倉功治
  • Organizer: 新学術領域研究第４回最終公開シンポジウム（ハイブリッド）
• [Presentation] Core structure of a thermophilic cyanobacterial light-harvesting phycobilisome (2022)
  • Author(s): 〇川上恵典、浜口祐、広瀬侑、小澄大輔、宮田真人、神谷信夫、米倉功治
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会（オンライン）
• [Presentation] Acaryochloris marina由来光化学系I複合体の立体構造解析 (2021)
  • Author(s): 浜口祐、〇川上恵典、伊藤（新澤）恭子、菓子野（井上）名津子、伊藤繁、 伊福健太郎、山下栄樹、前田皐臣、米倉功治、菓子野康浩
  • Organizer: 第28回「光合成セミナー2021」（オンライン）
• [Presentation] 巨大アンテナ蛋白質フィコビリソームコアの クライオ電子顕微鏡解析 (2021)
  • Author(s): 〇川上恵典、浜口祐、広瀬侑、小澄大輔、宮田真人、神谷信夫、米倉功治
  • Organizer: 新学術領域研究 第４回合同班会議
• [Presentation] 光合成タンパク質の精製 とその立体構造解析 (2021)
  • Author(s): 川上恵典
  • Organizer: 第１回光合成タンパク質勉強会（オンライン）（招待講演）
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質複合体の立体構造解析とその評価 (2021)
  • Author(s): 川上恵典
  • Organizer: 岡山大学資源植物科学研究所共同研究ワークショップ 「多様な光合成研究による植物の環境応答機構解明への挑戦」
  • Invited
• [Book] 光エネルギー変換における分子触媒の新展開 (2020)
  • Author(s): 日本化学会
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 化学同人
  • ISBN: 9784759813982
• [Remarks] 光捕集複合体フィコビリソームの単粒子構造解析
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20210610_4/index.html