Elucidation of maze problem and control of energy/electron transfer pathways in the primary process of photosynthesis

• 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: 20H05118
• 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: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 長澤 裕 立命館大学, 生命科学部, 教授 (50294161)
• 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 / エネルギー移動 / FRET / LH2 / LH3 / バイオハイブリッド / 紅色細菌 / 光捕集アンテナ蛋白質複合体 / 光合成初期過程 / 電子移動 / 超高速分光 / 過渡吸収スペクトル / 光化学系２反応中心 / PSII / 時間分解分光

Outline of Research at the Start

フェムト秒時間分解過渡吸収スペクトル測定等により、光合成系の迷路問題を解明し、エネルギー移動・電子移動の人為的最適化を行う。紅色細菌の光捕集アンテナ複合体LH2バイオハイブリッドについて、量子論的なダイナミクスの寄与を検討し、人工色素の付加箇所や付加方法の最適化を行い、単一指数関数的な最速のエネルギー移動の実現をめざす。また、シアノバクテリアや植物の光化学系Ⅱ複合体に関して、β-カロテンの波長選択励起によりエネルギー移動に律速されない電荷分離反応を起こし、その全容を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

光合成細菌の光捕集アンテナLH2やLH3は、カロテノイドおよび２つのbacteriochlorophyll色素団B800とB850（またはB820）により太陽光を捕集する。これら光捕集アンテナ群の吸収は、630 nmから760 nmにかけて比較的弱い。そこで、この波長領域に吸収帯を持つ蛍光性色素を光捕集アンテナ系に導入し、その光捕集能力の拡張を我々は試みてきた。ここでは、(a)人工的な色素を共有結合でLH2に連結したバイオハイブリッド、(b) LH2と人工色素を脂質二分子膜中に封入した系、(c) LH3中のB800を酸化反応により別の色素に化学的に変換した系の３つについて、フェムト秒過渡吸収(TRTA)スペクトル測定を行った。(a)については、付加する色素の発光波長およびリンカーの長さを変えて実験を行った。その結果、人工色素からLH2へのエネルギー移動は、Forsterの蛍光共鳴エネルギー移動機構でおおよそ説明できるが、その一部はアクセプター側の色素団の高励起子状態を通じてコヒーレントに起こることが示唆された。よって、その研究成果を論文として発表した。【Phys. Chem. Chem. Phys., 24, 24714 (2022)】(b)の系では、色素とLH2が化学結合で連結していないにもかかわらず、3ピコ秒から13 ピコ秒の時定数で起こる超高速のエネルギー移動が観測できたので、論文として発表した。【J. Chem. Phys., 156, 095101 (2022)】(c)の系についても、効率的にB800を酸化し、3-acetyl chlorophyllに変換することに成功した。さらに酸化されたB800からB820への高効率なエネルギー移動を観測できたので、論文として発表した。【J. Phys. Chem. B, 127(12), 2683 (2023)】

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] Conversion of B800 Bacteriochlorophyll <i>a</i> to 3-Acetyl Chlorophyll <i>a</i> in the Light-Harvesting Complex 3 by <i>In Situ</i> Oxidation (2023)
  • Author(s): Saga Yoshitaka、Hamanishi Kohei、Yamamoto Tetsuya、Hinago Kazuki、Nagasawa Yutaka
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 127 Issue: 12 Pages: 2683-2689
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c08887
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy transfer dynamics and the mechanism of biohybrid photosynthetic antenna complexes chemically linked with artificial chromophores (2022)
  • Author(s): Yoneda Yusuke、Noji Tomoyasu、Mizutani Naoto、Kato Daiji、Kondo Masaharu、Miyasaka Hiroshi、Nagasawa Yutaka、Dewa Takehisa
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 24 Issue: 40 Pages: 24714-24726
  • DOI: 10.1039/d2cp02465a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast energy transfer between self-assembled fluorophore and photosynthetic light-harvesting complex 2 (LH2) in lipid bilayer (2022)
  • Author(s): Y. Yoneda, M. Kito, D. Mori, A. Goto, M. Kondo, H. Miyasaka, Y. Nagasawa, T. Dewa
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 156 Issue: 9 Pages: 095101-095101
  • DOI: 10.1063/5.0077910
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy Transfer Dynamics in Light-Harvesting Complex 2 Variants Containing Oxidized B800 Bacteriochlorophyll <i>a</i> (2021)
  • Author(s): Saga Yoshitaka、Otsuka Yuji、Tanaka Aiko、Masaoka Yuto、Hidaka Tsubasa、Nagasawa Yutaka
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 125 Issue: 25 Pages: 6830-6836
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c01592
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Dynamics of a Solvatochromic Dye, Phenol Blue: Tautomerization and Coherent Wavepacket Oscillations (2021)
  • Author(s): Ota Chikashi、Matsumoto Akifumi、Hidaka Tsubasa、Sugihara Keita、Teramoto Takahiro、Nagasawa Yutaka
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 125 Issue: 38 Pages: 10832-10842
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c07501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ formation of photoactive B-ring reduced chlorophyll isomer in photosynthetic protein LH2 (2020)
  • Author(s): Saga Yoshitaka、Otsuka Yuji、Funakoshi Daichi、Masaoka Yuto、Kihara Yu、Hidaka Tsubasa、Hatano Hiroka、Asakawa Hitoshi、Nagasawa Yutaka、Tamiaki Hitoshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 19383-19383
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76540-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vibrational decoherence induced by ultrafast intramolecular charge separation of an asymmetric bianthryl derivative (2020)
  • Author(s): Takeuchi Eisuke、Muramatsu Masayasu、Yoneda Yusuke、Katayama Tetsuro、Iwamoto Akira、Nagasawa Yutaka、Miyasaka Hiroshi
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 153 Issue: 8 Pages: 084307-084307
  • DOI: 10.1063/5.0018482
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excited State dynamics of charge transfer complexes of fullerenes in an electron donating solvent (2020)
  • Author(s): Yosuke Takahashi , Keita Sugihara , Yutaka Nagasawa
  • Journal Title: Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry Volume: 403 Pages: 112861-112861
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112861
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Photodynamics and Quantitative Evaluation of Biohybrid Photosynthetic Antenna and Reaction Center Complexes Generating Photocurrent (2020)
  • Author(s): Y. Yoneda, A. Goto, N. Takeda, H. Harada, M. Kondo, H. Miyasaka, Y. Nagasawa, T. Dewa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 124 Issue: 16 Pages: 8605-8615
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c01150
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstitution of 3-Acetyl Chlorophyll a into Light-Harvesting Complex 2 from the Purple Photosynthetic Bacterium Phaeospirillum molischianum (2020)
  • Author(s): Saga Yoshitaka、Yamashita Madoka、Imanishi Michie、Kimura Yukihiro、Masaoka Yuto、Hidaka Tsubasa、Nagasawa Yutaka
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 5 Issue: 12 Pages: 6817-6825
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c00152
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sequential energy transfer driven by monoexponential dynamics in a biohybrid light-harvesting complex 2 (LH2) (2020)
  • Author(s): Yoneda Y, Kato D, Kondo M, Nagashima KVP, Miyasaka H, Nagasawa Y, Dewa T
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 143 Issue: 2 Pages: 115-128
  • DOI: 10.1007/s11120-019-00677-y
  • Peer Reviewed
• [Presentation] フィロキノン添加による緑色硫黄細菌反応中心の光合成初期過程の超高速ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 日名子 一起、稲垣 知実、山本 哲也、帆足 征峻、杉原 敬太、浅井 智広、長澤 裕
  • Organizer: 2022年光化学討論会
• [Presentation] 光収穫系複合体(LH2)の機能拡張と超高速エネルギー移動 (2022)
  • Author(s): 出羽 毅久、鬼頭 征也、山本 哲也、米田 勇祐、近藤 政晴、宮坂 博、長澤 裕
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] Charge separation induced by a lower-energy bacteriochlorophyll in the reaction center complex of Heliobacterium modesticaldum (2022)
  • Author(s): Chihiro Azai, Risa Kojima, Kazuki Hinago, Masatoshi Kida, Tetsuya Yamamoto, Hirozo Oh-oka, Daisuke Kosumi, Yutaka Nagasawa
  • Organizer: 17th International Symposium on Phototrophic Prokaryotes (ISPP2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] バイオハイブリッドLH2：B850への選択的超高速エネルギー移動 (2022)
  • Author(s): 長澤 裕、山本 哲也、日名子 一起、鬼頭 征也、近藤 政晴、出羽 毅久
  • Organizer: 第22回日本光生物学協会年会（2022年）
• [Presentation] Molecular mechanisms of excitation / charge separation in Photosystem II (2022)
  • Author(s): Miwa Sugiura, Naohiro Shimamoto, Makoto Nakamura, Yuki Takegawa, Yuto Masaoka, Yutaka Nagasawa, Boussac Alain
  • Organizer: International Congress on Photosynthesis Research 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron Transfer Mechanism in the Green Sulfur Bacterial Reaction Center: Study by Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy (2022)
  • Author(s): Kazuki Hinago, Tomomi Inagaki, Tetsuya Yamamoto, Masataka Hoashi, Keita Sugihara, Chihiro Azai, Yutaka Nagasawa
  • Organizer: 17th International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments (SNCPP22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energy Transfer in Cysteine-Incorporated Biohybrid Light-Harvesting Antenna (LH2) (2022)
  • Author(s): Tetsuya Yamamoto, Kazuki Hinago, Yutaka Nagasawa, Masaya Kito, Masaharu Kondo, Takehisa Dewa
  • Organizer: 17th International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments (SNCPP22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] B850近傍に色素を導入したバイオハイブリッド光捕集アンテナLH2 のエネルギー移動ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 長澤 裕、山本 哲也、日名子 一起、鬼頭 征也、近藤 政晴、出羽 毅久
  • Organizer: 第12回日本光合成学会年会およびシンポジウム
• [Presentation] 緑色硫黄細菌の反応中心：フェムト秒過渡吸収スペクトル測定によるフィロキ ノン添加効果の検討 (2021)
  • Author(s): 日名子一起、稲垣知美、山本哲也、帆足征峻、杉原敬太、浅井智広、長澤裕
  • Organizer: 第28回「光合成セミナー2021」
• [Presentation] システインを導入した光収穫複合体(LH2)による超高速エネルギー移動系の制御 (2021)
  • Author(s): 鬼頭 征也、 山本 哲也、 日名子 一起、 加藤 大二、 近藤 政晴、 長澤 裕、 出羽 毅久
  • Organizer: 第28回「光合成セミナー2021」
• [Presentation] システインを導入した光収穫複合体(LH2)による超高速エネルギー移動系の制御 (2021)
  • Author(s): 鬼頭 征也 加藤 大二 近藤 政晴 出羽 毅久、山本 哲也 日名子 一起 長澤 裕
  • Organizer: 第31回バイオ・高分子シンポジウム
• [Presentation] Effect of Phylloquinone on Green Sulfur Bacterial Reaction Center Studied by Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy (2021)
  • Author(s): Kazuki Hinago, Tomomi Inagaki, Tetsuya Yamamoto, Masataka Hoashi, Keita Sugihara1, Chihiro Azai, Yutaka Nagasawa
  • Organizer: Sixteenth International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments (SNCPP21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] E-Z isomerization dynamics of photochromic hemiindigo derivatives (2021)
  • Author(s): Yamato Higashi, Yu Kihara, Kazuki Hinago, Yutaka Nagasawa
  • Organizer: Sixteenth International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments (SNCPP21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamics of trans-cis isomerization of an indigo derivative studied by time-resolved transient absorption spectroscopy (2021)
  • Author(s): Yu Kihara, Shuntaro Tani, Yamato Higashi and Yutaka Nagasawa
  • Organizer: Sixteenth International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments (SNCPP21)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] バクテリオクロロフィルbを再構成したLH2タンパク質の励起エネルギー移動 (2021)
  • Author(s): 佐賀佳央、山下眞花、政岡宥人、日高翼、長澤裕
  • Organizer: 第47回生体分子科学討論会
• [Presentation] 緑色硫黄細菌の反応中心に対するフィロキノンの効果：フェムト秒過渡吸収スペクトル解析 (2021)
  • Author(s): 日名子 一起、山本 哲也、稲垣 知実、杉原 敬太、帆足 征峻、浅井 智広、長澤 裕
  • Organizer: 第11回日本光合成学会およびシンポジウム
• [Presentation] 超高速時間分解分光によるヘミインジゴ誘導体の光異性化反応の解明 (2020)
  • Author(s): 木原 優、谷 駿太朗、政岡 宥人、日髙 翼、長澤 裕
  • Organizer: 第10回 CSJ化学フェスタ 2020
• [Presentation] 紅色光合成細菌のLH2タンパク質の色素改変：色素のサイトエネルギーとタンパク質内励起エネルギー移動への影響 (2020)
  • Author(s): 佐賀 佳央、大塚 悠史、山下 眞花、政岡 宥人、日高 翼、長澤 裕
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 蛍光色素結合による光収穫系１-反応中心複合体（LH1-RC）の光捕集能の増強効果 (2020)
  • Author(s): 笠木 元気、近藤 政晴、米田 勇祐、宮坂 博、長澤 裕、出羽 毅久
  • Organizer: 第６９回 高分子討論会
• [Presentation] 部分的にB800を酸化したLH2の励起エネルギー移動メカニズム (2020)
  • Author(s): 政岡 宥人、日高 翼、山下 眞花、佐賀 佳央、長澤 裕
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] 紅色光合成細菌Rhodoblastus acidophilusのLH2タンパク質に存在するB800バクテリオクロロフィルaの部分的酸化と光機能解析 (2020)
  • Author(s): 大塚 悠史、政岡 宥人、日高 翼、長澤 裕、佐賀 佳央
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] インジゴ誘導体のtrans→cis、cis→trans光異性化反応ダイナミクスの比較 (2020)
  • Author(s): 木原優、谷駿太朗、政岡宥人、日髙翼、長澤裕
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
• [Presentation] バイオハイブリッド光収穫系 1-反応中心複合体（LH1-RC）のエネルギー移動および光電変換能 (2020)
  • Author(s): 笠木 元気、近藤 政晴、米田 勇祐、宮坂 博 、長澤 裕、出羽毅久
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Book] Photosynergetic Responses in Molecules and Molecular Aggregates (2020)
  • Author(s): H. Miyasaka, K. Matsuda, J. Abe, T. Kawai
  • Total Pages: 593
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811554513