人工光合成色素蛋白超分子複合体の動作機構の解明

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14340090
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 橋本 秀樹 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 教授 (50222211)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 宏典 浜松ホトニクス(株), 中央研究所, 主任部員(研究職)
• Keywords: 光合成 / アンテナ色素蛋白複合体 / 光反応中心複合体 / 人工色素蛋白超分子複合体 / カロテノイド / 超高速レーザー分光 / 電場変調吸収分光

Research Abstract

天然カロテノイドの一種であるスフェロイデン(共役C=C結合数10)の共役二重結合数及び共役位置を改変した一連のアナログ体の大量全合成を行った。カロテノイド欠損光合成細菌Rb. sphaeroides R26.1株を大量培養し、そこからクロマトフォア膜、つづいて光反応中心複合体(RC)の大量調製を行い、シッティング・ドロップ法により単結晶成長を行った。一方、得られたRCに前述のアナログカロテノイドを再構築した人工光反応中心複合体の大量調製を行い、同様の手法を用いて単結晶成長を行った。作成した全ての単結晶試料のX線構造解析を完了した。これらの結果と半嫌気的に培養したRb. sphaeroides 2.4.1株(野生株)のRC(カロテノイドとしてスフェロイデノンを含有)の結果との比較を行った。本研究により、異なる蛋白調製におけるカロテノイドの構造、カロテノイドの結合サイトの特質、カロテノイドが再構成される機構に関する詳細が明らかになった。カロテノイド周辺の電子密度分布に焦点をあてた場合、人工RCの場合においても天然と同様にアナログカロテノイドが15シス構造を取ってRCに結合すること、カロテノイドの有無でアミノ酸残基(フェニルアラニンM162)の位置がフリップすること、及びカロテノイドに存在するメトキシ基とアミノ酸残基(トリプトファンM75)とが水素結合していることが明らかになった。つまり、カロテノイドがRCに再構築するには一定の方向性が存在し、フェニルアラニンM162はカロテノイドが再構築される際に「門番」としてのトリプトファンM75は「鍵」としての役割を果たしている。これらの結果を取りまとめ、学術雑誌Structurcに論文投稿を行い採択が決定した。さらに、カカロテノイドとアポ蛋白質との静電的相互作用の影響に関して詳細に検討するために、2位相ロックインアンプを用いた電場変調吸収分光を、光合成細菌Rb. sphaeroides G1C株から調製した周辺集光性色素蛋白複合体(LH2複合体)の系に適用した。B850吸収バンドに対して、2位相ロックイン検出を行うことにより、従来から研究対象となっていた同位相成分のみでなく、外部からの電場刺激に対するアポ蛋白が追随することに遅れが生じることに起因する、電場変調信号の位相遅れ成分(π/2成分)が検出可能であることを初めて明らかにした。このπ/2成分の温度依存性及び外部電場に対する周波数依存性を測定した。測定データを解析するための理論的枠組みを独自に構築し、データ解析を行うことにより、アレニウス型活性化エネルギー(12kJ/mol)と共鳴周波数(11kHz)を見積もった。これらの熱力学的及び動的パラメーターはB850バクテリオクロロフィル分子と周辺アポ蛋白質により提供される動的蛋白環境における強い静電的相互の帰結として説明できるものと考えられる。今後、同手法を構造既知の他の色素蛋白複合体あるいは人工の色素蛋白複合体の系に拡張し、結晶構造解析により明らかにされた詳細な構造データをもとに考察することにより、光合成反応の動作機構解明の核心に迫れるものと期待している。

Research Products

• [Publications] H.Hashimoto, K.Yanagi, M.Yoshizawa, D.Polli, G.Cerullo, G.Lanzani, S.De Silvestri, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell: "The very early events following photoexcitation of carotenoids"Arch. Biochem. Biophys.. (In press). (2004)
• [Publications] K.Yanagi, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell, H.Hashimoto: "The effect of inhomogeneous band-broadening on the nonlinear optical properties of hydrazones"Phys.Rev.B. (In press). (2004)
• [Publications] K.Yanagi, H.Hashimoto, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell: "Stark spectroscopy on the LH2 complex from Rhodobacer sphaeroides G1C ; frequency and temperature dependence"J.Phys.Chem.B. (In press). (2004)
• [Publications] A.W.Roszak, K.McKendrick, A.T.Gardiner, I.A.Mitchell, N.W.Isaacs, R.J.Cogdell, H.Hashimoto, H.A.Frank: "Protein regulation of carotenoid Binding : gatekeeper and locking amino acid residues in reaction centers of Rhodobacter sphaeroides"Structure. (In press). (2004)
• [Publications] R.J.Cogdell, H.Hashimoto, A.T.Gardiner: "Purple bacterial light-harvesting complexes: from dreams to structures"Photosynth.Res.. (In press). (2004)
• [Publications] W.Wohlleben, T.Buckup, H.Hashimoto, R.J.Cogdell, J.L.Herek, M.Motzkus: "Pump-deplete-probe spectroscopy and the puzzle of carotenoid dark states"J.Phys.Chem.B. 108. 3320-3325 (2004)
• [Publications] H.Hashimoto, K.Yanagi: "Photosynthesis and pigment-protein complexes"Electrochemistry. 71. 960-965 (2003)
• [Publications] S.Hirota, H.Inoue, R.Tateishi, H.Hashimoto, Y.Yomita, M.Murakoshi, T.Nigo, T.Sekimoto, J.Yokoyama, H.Funayama: "Assessment of conjunctional impression cytology method (CIC) of β-carotene and canthaxanthin fed vitamin A deficient rats"日本食生活学会誌. 14. 194-199 (2003)
• [Publications] A.Sugita, K.Yanagi, K.Kuroyanagi, H.Takahashi, S.Aoshima, Y.Tsuchiya, S.Tasaka, H.Hashimoto: "Photo-excited state of N-benzyl MNA studied by femtosecond time-resolved absorption spectroscopy"Chem.Phys.Lett.. 382. 693-698 (2003)
• [Publications] D.Polli, G.Cerullo, G.Lanzani, S.De Silvestri, H.Hasihmoto, R.J.Cogdell: "Excited-state dynamics of carotenoids with different conjugation length"Synth.Metals. 139. 893-896 (2003)
• [Publications] H.Inoue, R.Tateishi, Y.Kimura, Y.Ozawa, K.Isobe, K.Nomura, T.Maoka H.Hashimoto, S.Hirota: "Comparative study of different content in chlorophylls, carotenoids, vitamin C, E and Minerals among various vegetable crops"日本食生活学会誌. 13. 271-278 (2003)
• [Publications] M.Yoshizawa, H.Aoki, M.Ue, H.Hashimoto: "Ultrafast relaxation kinetics of excited states in a series of mini-and macro-β-Carotenes"Phys.Rev.B. 67. 174302 (2003)
• [Publications] K.Yanagi, T.Kobayashi, H.Hashimoto: "Origin of transition dipole-moment polarizability and hyperpolarizability in hydrazones"Phys.Rev.B. 67. 115122 (2003)
• [Publications] M.Yoshizawa, H.Aoki, M.Ue, H.Hashimoto: "Ultrafast relaxation kinetics in mini-and macro-carotenes investigated by femtosecond absorption and Raman spectroscopy"Carotenoid Science. 6. 24-25 (2003)
• [Publications] H.Inoue, A.Tateishi, Y.Kimura, Y.Ozawa, K.Isobe, K.Nomura, T.Maoka, H.Hashimoto, J.Shi, K.Zhao, S.Hirota: "Contents and compositions of chlorophylls, carotenoids, vitamin C, vitamin E, and minerals in deep color and light color vegetable crops and their correlation"Carotenoid Science. 6. 5-8 (2003)
• [Publications] 高橋 宏典, 橋本 秀樹: "超高速光エレクトロニクス技術ハンドブック"リアライズ理工センター. 618 (2003)