Artificial organelle of photo-energy conversion driven by photosynthetic membrane protein assembly

• Project Area: Bottom-up creation of cell-free molecular systems: surpassing nature
• Project/Area Number: 22H05416
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 出羽 毅久 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70335082)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2023: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 光合成 / 光収穫系複合体 / 反応中心複合体 / 光重合性脂質 / 脂質二分子膜 / 光収穫層 / 光エネルギー変換 / リポソーム / エネルギー移動

Outline of Research at the Start

光合成は太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換する極めて効率の良いシステムであり、複数の膜タンパク質（光収穫系:LH、光化学反応中心:RC、酵素群）が光合成膜中で集合体構造を形成している。しかし、光合成膜を人工系で効率良くエネルギー変換に利用することはできない。本研究では、エネルギー生産に必要な構成要素（LH, RC, ユビキノン, 酵素）を重合性脂質からなるリポソームに組み込み、高効率な光エネルギー変換人工オルガネラを作成し駆動させる。本研究により、天然の光合成膜では不可能な高効率な水素発生人工オルガネラの構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

光合成の初期過程である光収穫ー電荷分離反応を人工系で駆動させ、光ー水素変換システム(光エネルギー変換人工オルガネラ)の構築を目指し、高エネルギー物質であるヒドロキノンを脂質二分子膜中に高濃度蓄積する事を目指す。今年度は光収穫能の増強を目的とし、(1)光重合したリン脂質(Diyne-PC)を光収穫層として、脂質膜表面でのエネルギー移動系の構築、(2)脂質膜中に再構成した光合成光収穫系複合体１ー反応中心複合体（LH1-RC）の光触媒的キノン還元を行った。
(1)では、光重合した脂質（Poly-Diyne-PC）がリポソーム膜および界面活性剤で可溶化された状態でも可視領域に発光帯を有することが確認できた。蛍光色素を結合した脂質分子をアクセプターとしてPoly-Diyne-PC膜中に組み込んだところ、Poly-Diyne-PCから蛍光色素への明瞭なエネルギー移動が認められた。このことから、蛍光色素を経由したPoly-Diyne-PCから光合成光収穫系へのエネルギー移動系が構築できる大きな手がかりが得られた。
(2)では、脂質膜中に再構成したLH1-RCによるユビキノン10(UQ10)の光還元を行なった。還元型シトクロムc(cyt c2+)を電子源として光照射することにより、還元型UQ10（ヒドロキノン）の生成が確認でき、天然での脂質二分子膜環境がUQ10の還元には有効であることが明らかとなった。
また、人工色素により光収穫機能を増強させた光収穫系複合体(LH2)とLH1-RCに対して、光収穫系がどの程度RCでの電荷分離反応と機能的に連動しているのかを、LH1-RCによる光電流計測から定量的に明らかにすることに成功し、人工色素を結合したLH1-RCで天然の機能に匹敵する光収穫能を有する事を見出した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Leedsity(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Leeds(英国)
• [Journal Article] Delivery of external proteins into the cytoplasm using protein capsules modified with IgG on the surface, created from the amphiphilic two helix-bundle protein OLE-ZIP (2024)
  • Author(s): Kousuke Takahashi, Taiki Nishiyama, Naoki Umezawa, Yasumichi Inoue, Isamu Akiba, Takehisa Dewa, Atsushi Ikeda, Toshihisa Mizuno
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 60 Issue: 8 Pages: 968-971
  • DOI: 10.1039/d3cc05347d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional Coupling of Biohybrid Photosynthetic Antennae and Reaction Center Complexes: Quantitative Comparison with Native Antennae (2023)
  • Author(s): Takehisa Dewa, Komei Kimoto, Genki Kasagi, Hiromi Harada, Ayumi Sumino, and Masaharu Kondo
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 127 Issue: 48 Pages: 10315-10325
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c04922
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic force microscopic analysis of the light-harvesting complex 2 from purple photosynthetic bacterium Thermochromatium tepidum (2023)
  • Author(s): Morimoto Masayuki、Hirao Haruna、Kondo Masaharu、Dewa Takehisa、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu、Asakawa Hitoshi、Saga Yoshitaka
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: - Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1007/s11120-023-01010-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cryogenic single-molecule fluorescence detection of mid-infrared response of an intrinsic pigment in light-harvesting complex (2023)
  • Author(s): Kohei Otomo, Takehisa Dewa, Michio Matsushita, and Satoru Fujiyoshi
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B. Volume: 127 Issue: 22 Pages: 4959-4965
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c00284
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determination of FRET Orientation Factor between Artificial Fluorophore and Photosynthetic Light-Harvesting 2 Complex (LH2) (2022)
  • Author(s): Kazuhiro J. Fujimoto, Tomoya Miyashita, Takehisa Dewa, Takeshi Yanai
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 12 Issue: 1 Pages: 15091-15091
  • DOI: 10.1038/s41598-022-19375-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Easy preparation of a liposome-mediated protein delivery system by freeze-thawing a liposome-protein complex. (2022)
  • Author(s): Koide H, Ochiai H, Suzuki H, Hirata S, Watanabe M, Yonezawa S, Dewa T, Oku N, Asai T.
  • Journal Title: J Mater Chem B Volume: 10 Issue: 35 Pages: 6768-6776
  • DOI: 10.1039/d2tb00271j
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Functional Coupling of Biohybrid Photosynthetic Antennae and Reaction Center Complexes: Quantitative Comparison with Native Antennae (2023)
  • Author(s): Takehisa Dewa
  • Organizer: 16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光合成膜タンパク質集合体により駆動する光エネルギー変換人工オルガネラ (2023)
  • Author(s): 出羽毅久
  • Organizer: 2023年度 超越分子システム 高野山会議
• [Presentation] B800またはB850近傍に人工色素を導入したバイオハイブリッドLH2の示すエネルギー移動ダイナミクス (2023)
  • Author(s): 石川 宙・邨井 孝行・松中 由有・山本 哲也・平川 正斗・米田 勇祐・近藤 政晴・出羽 毅久・小島 理沙・長澤 裕
  • Organizer: 第23回 日本光生物学協会年会
• [Presentation] バイオハイブリッド光収穫系複合体による波長領域の拡張・超高速エネルギー移動・光電変換 (2023)
  • Author(s): 出羽毅久・平川正斗・森川凌雅・鬼頭征也・石川宙・山本哲也・米田勇祐・近藤政晴・長澤裕
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 蛍光色素を結合した光収穫系複合体LH2変異体での超高速エネルギー移動 (2023)
  • Author(s): 平川正斗、森下凌雅、鬼頭征也、石川宙、山本哲也、米田勇佑、近藤政晴、長澤裕、出羽毅久
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 光重合性脂質 (Diyne-PC) により形成される光収穫相から光収穫系複合体（LH2）へのエネルギー移動 (2023)
  • Author(s): 長谷川 馨、近藤 政晴、森垣 憲一、出羽 毅久
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 半導体光触媒の水分解反応と共役する光収穫系１－反応中心複合体（LH1-RC）の光触媒反応 (2023)
  • Author(s): 各務 朱音、小久保 燎、近藤 政晴、鈴木 肇、阿部 竜、出羽 毅久
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] 光合成膜中で発現させた非天然型タンパク質による超分子複合体形成 (2023)
  • Author(s): 秦潤奈、鈴木康史、和田拓也、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第72回高分子討論会
• [Presentation] Energy transfer dynamics of biohybrid LH2: Introduction of artificial dye in the vicinity of B800 (2023)
  • Author(s): Sora Ishikawa・Takayuki Murai・Yu Matsunaka・Tetsuya Yamamoto・Masato Hirakawa・Yusuke Yoneda・Masaharu Kondo・Takehisa Dewa・Risa Kojima・Yutaka Nagasawa
  • Organizer: 2023年光化学討論会
• [Presentation] 脂質に結合した蛍光色素を利用した光捕集系膜タンパク質LHCIIの機能拡張 (2023)
  • Author(s): 近藤政晴・桑原隼人・Ashley Hancock・Peter Adams・出羽毅久
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 半導体光触媒と光収穫系１－反応中心複合体（LH1-RC）の電子移動反応 (2023)
  • Author(s): 各務朱音・小久保燎・近藤政晴・鈴木 肇・阿部 竜・出羽毅久
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 紅色光合成細菌の膜中での人工膜タンパク質発現 (2023)
  • Author(s): 藤田悠作、秦 潤奈、鈴木康史、平野佳穂、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 光合成膜中で発現させた非天然型タンパク質による超分子複合体形成 (2023)
  • Author(s): 秦潤奈、鈴木康史、和田拓也、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] B820/B850混在LH2の作製を目的としたRhodobacter sphaeroides 2.4.1変異体の調製 (2023)
  • Author(s): 浅野賢吾・三浦彩音・近藤政晴・出羽毅久
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 重合性脂質Diyne-PCからなるリポソームの光重合と光収穫相としての分光学的特性 (2023)
  • Author(s): 長谷川 馨・近藤政晴・森垣憲一・出羽毅久
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 蛍光色素を結合した光収穫系複合体LH2変異体による超高速エネルギー移動制御 (2023)
  • Author(s): 平川正斗・鬼頭征也・石川 宙・山本哲也・米田勇佑・近藤政晴・長澤 裕・出羽毅久
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 近赤外蛍光タンパク質と光捕集タンパク質の融合による光合成機能拡張 (2023)
  • Author(s): 松本空大、出羽毅久、近藤政晴
  • Organizer: 第30回光合成セミナー2023：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 蛍光色素により光収穫能を増強したバイオハイブリッドLH2とその後 (2023)
  • Author(s): 出羽毅久
  • Organizer: JSTさきがけ「光エネルギーと物質変換」第18回領域会議
• [Presentation] Ultrafast Excitation Energy Transfer of Biohybrid Light-Harvesting Complex 2 (LH2) (2022)
  • Author(s): Takehisa Dewa
  • Organizer: 15th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Biohybrid Approach for Constructing Ultrafast Excitation Energy Transfer Systems Using Photosynthetic Light-Harvesting Complexes (2022)
  • Author(s): Takehisa Dewa
  • Organizer: International Congress on Pure & Applied Chemistry Kota Kinabalu (ICPAC Kota Kinabalu 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Enhanced Light Harvesting and Photocurrent Generation Activities of Purple Bacterial LH Complexes (2022)
  • Author(s): Takehisa Dewa
  • Organizer: Japan-UK joint project on the photosynthetic model membrane
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast Excitation Energy Transfer of Engineered Biohybrid Light-harvesting 2 Complex (LH2) with Extrinsic Chromophores (2022)
  • Author(s): Takehisa Dewa, Masaya Kito, Tetsuya Yamamoto, Kazuki Hinago, Masaharu Kondo, Yutaka Nagasawa
  • Organizer: 18th International Congress on Photosynthesis Research (ICPR2022) Dunedin New Zealand
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蛍光色素分子から光捕集系タンパク質へのエネルキー移動と光電変換機能の評価 (2022)
  • Author(s): 桑原 隼人 、近藤 政晴 、Ashley Hancock、Peter Adams、出羽 毅久
  • Organizer: 第53回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会
• [Presentation] 光合成膜タンパク質集合体により駆動する光エネルギー変換人工オルガネラ (2022)
  • Author(s): 出羽毅久
  • Organizer: 学術変革領域A「超越分子システム」第２回領域会議
• [Presentation] 光合成光収穫系複合体のアンテナ機能の増強 (2022)
  • Author(s): 木本功明・笠木元気・長谷川馨・近藤政晴・出羽毅久
  • Organizer: 学術変革領域A「超越分子システム」第２回領域会議
• [Presentation] リポソーム中に再構成した光収穫系１ー反応中心複合体(LH1-RC)と半導体光触媒による光反応系の構築 (2022)
  • Author(s): 各務朱音・近藤政晴・鈴木肇・阿部竜・出羽毅久
  • Organizer: 学術変革領域A「超越分子システム」第２回領域会議
• [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] バイオハイブリッド光収穫系複合体LH2の励起エネルギー移動 (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３２回バイオ・高分子シンポジウム
• [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 (2022)
  • 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２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 光捕集アンテナ複合体(LH2)とフラーレンとの複合化とその蛍光特性 (2022)
  • Author(s): 清水太賀、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [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 (2022)
  • Author(s): 木本功明、笠木元気、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 蛍光色素分子による光捕集系タンパク質LHCII の光電変換機能拡張 (2022)
  • Author(s): 桑原隼人、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 光収穫系1-反応中心複合体（LH1-RC）と半導体光触媒を用いた光化学反応系の構築 (2022)
  • Author(s): 各務 朱音、近藤 政晴、出羽 毅久、鈴木 肇、阿部 竜
  • Organizer: 第２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 光合成膜中で発現させた非天然型タンパク質による超分子複合体形成 (2022)
  • Author(s): 鈴木康史、秦 潤奈、和田拓也、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 光合成細菌中でのダンベル型人工膜タンパク質の発現 (2022)
  • Author(s): 秦 潤奈、鈴木康史、和田拓也、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [Presentation] 紅色光合成細菌内での人工膜タンパク質発現のための遺伝子設計 (2022)
  • Author(s): 藤田悠作、平野佳穂、近藤政晴、出羽毅久
  • Organizer: 第２９回 光合成セミナー２０２２：反応中心と色素系の多様性
• [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・公開シンポジウム
• [Book] カロテノイドの科学 ―基礎、研究の新展開、生理活性― (2024)
  • Author(s): 高市真一（監修）、出羽毅久・近藤政晴（第６章）
  • Total Pages: 275
  • Publisher: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781317984
• [Remarks] 名古屋工業大学 研究者データベースシステム
  • URL: https://researcher.nitech.ac.jp/html/270_ja.html