Intracellular metabolism control of the proton motive force

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 16H06559
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Shimizu Hiroshi 大阪大学, 情報科学研究科, 教授 (00226250)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小山内 崇 明治大学, 農学部, 専任准教授 (60512316)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Keywords: ゲノムスケールモデル / システム生物学 / 光合成 / シミュレーション / 代謝フラックス解析

Outline of Final Research Achievements

In this study, to understand the regulation mechanism of photosynthesis and metabolism of photosynthetic organisms, a genome scale metabolic reaction model of cyanobacteria (GMM) was reconstructed, including detailed photosynthesis-related reactions. Electron transfer of photosynthesis and metabolic fluxes under different light environmental conditions were simulated and confirmed by experiments. Linear and cyclic electron transfer fluxes were accurately simulated by taking into account of information of excitation ratio of photosynthesis II (PSII) and photosynthesis I (PSI). By integrating simulation results with experimental data of multiple analyses of transcriptome, proteome, metabolome, and metabolic fluxes, re-optimization strategies of photosynthesis and metabolism were discussed.

Free Research Field

生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

食糧やエネルギー問題を解決するため、植物や藻類の「光合成の改良」は重要な課題である。従来の研究では、光合成能力を高めることにのみ重点が置かれてきたが、最近の研究により「光エネルギーの効率的利用」と「過剰光からの防御」のバランスの調節の重要性に関する理解が進められてきた。本研究においては、光合成と代謝をシステム的に統合解析を行うことで、光合成の再最適化に向けた戦略の道筋を示すところに新規性がある。この研究により、二酸化炭素排出や地球温暖化を抑制していくための光合成利用に関する基盤が築かれるとともに光合成システムバイオロジーという新たな学術分野が拓かれたと考えられる。