2017 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system |
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| Project/Area Number |
16H06560
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
栗栖 源嗣 大阪大学, たんぱく質研究所, 教授 (90294131)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
斉藤 圭亮 東京大学, 先端科学技術研究センター, 講師 (20514516)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 光合成 / 電子伝達 / 立体構造 / 生物物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光合成機能再最適化の鍵を握るのは「プロトン駆動力の制御」と「還元力の効率的分配」である．各班による機能解析実験と密接に連携することをめざし，光化学系IIの水分解に伴うプロトン排出経路と，シトクロムb6f複合体の還元型キノンの酸化に伴うプロトン排出経路に着目して研究を進めた．実験的には，b6f複合体でpHをセンスしていると考えられるpetCの可溶性領域の高精度構造解析を進めた．次に，強い還元力を漏らさず伝える高効率電子伝達複合体の形成，さらに光合成蛋白質のレドックス制御の観点からもTrx:FTRの複合体構造解析をすすめて，一部に結晶を得る事ができている．理論的には，次の以下の３つの課題について解析を行った。
(1)光合成で水分解を行う光化学系IIの触媒部位である「MnCa錯体」における酸素発生反応の分子機構の調べた。分子構造とエネルギーの２つの観点から合理的な反応機構を特定した。
(2)「MnCa錯体」付近のアミノ酸残基の変異体構造を理論的に予測し、酸素発生反応に伴うプロトン放出の解析を行った。この結果を野生型と比較したところ、変異体で光合成活性が落ちるのはMnCa錯体近傍に存在するアスパラギン酸が担っていたプロトン移動能の低下に起因することが明らかになった。
(3)シトクロムb6f複合体では、強光下条件を検出するために、膜の片側（ルーメン側）のpH変化をモニターする機構が存在すると考えられる。そのしくみを明らかにするために他班で計画されている変異実験において、どのアミノ酸残基を変異すれば効果的かを理論的に予測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
<A01><A02>の各班からの機能解析データを基に進める構造解析としては，鹿内班と連携してシトクロムb6f複合体でプロトン排出の鍵を握るPetC蛋白質の組換え体調整と構造解析を完了することができた．久堀班とは電子キャリア蛋白質周辺での電子伝達反応の構造基盤解明
に向けて一部結晶化に成功し，レドックス制御系の構造・機能解析をより一層進める事ができ，これらの成果の一部は学術論文として国際誌に発表している．理論解析においても，光化学系IIの研究で最も重要とみなされているMnCa錯体における水分解・酸素発生の機構について新たな知見を得ることができた。この成果は学術論文として国際誌に発表している。また、各班による変異体実験と連携した理論研究についても、複数の課題に取り組んでおり結果が得られている。以上のことより、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，さらに各班から報告される変異体の機能解析実験と密接に連携することをめざし、次のような理論・実験を併用した構造解析を行う予定である。
理論に関しては，昨年度に引き続き２つの課題(1)(2)と、新たな２つの課題(3)(4)について理論解析を行う。そこでは、各班から報告される変異体の機能解析実験とさらなる密接な連携を計る。
(1)光化学系II触媒部位「MnCa錯体」付近のアミノ酸残基の変異体実験と連携した理論解析。(2)シトクロムb6f複合体のpH変化検出機構の解明に向けた変異アミノ酸のin silico予測。(3)植物の持つ光合成アンテナ系のひとつであるLHCIIは、弱光下では光エネル ギーを効率的に捕集する働きをするのに対し、強光下では逆に余ったエネルギー を捨てる光保護作用の働きをする。LHCIIに含むクロロフィルの吸収エネルギー を計算することで、光保護作用のしくみを明らかにする。(4)光化学系IIの反応中心を構成するD1サブユニットは一定時間経つと光によ りダメージを受けその機能が失われ、分解・再生される。このしくみを調べるために他班で計画されている変異体実験に対する理論解析を行う。
実験に関しては，次の(5),(6)について重点的に進める予定である．
(5)シトクロムb6f複合体の全体構造解析を進める上で重要な好熱性藻類からのb6f複合体の調製と結晶構造解析(6)TrxとFTRの複合体構造解析を進め，FTRによるTrxの個別的な分子認識機構の構造基盤解明を進める．
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