2017 Fiscal Year Annual Research Report
結晶構造から解き明かす光合成の光捕集・光電変換とキノン輸送の分子機構
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16H04174
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
大友 征宇 茨城大学, 理学部, 教授 (10213612)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光合成 / 光捕集 / 光電変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、先に決定した紅色光合成細菌由来の光捕集反応中心超分子複合体LH1-RCの結晶構造（Nature 508, 228; 2014）に基づいて、(1)光捕集複合体の吸収挙動と構造安定性を制御する構造要因の特定、(2)キノン輸送機構の解明、(3)反応中心複合体の構造と特性の再検証、(4)膜リン脂質と複合体との間に存在する特異的な相互作用の解明を目的とする。さらに、(5)より高分解能での結晶構造解析を目指す。
本年度は上記計画の項目(1)、(2)と(3)に関連して、キメラ型光捕集反応中心複合体LH1-RCの作製、特性評価と構造解析に取り組んだ。常温菌では、LH1の近赤外領域における吸収極大（Qy遷移）が880nmに位置するのに対して、本研究で用いる好熱性光合成細菌Tch. tepidum由来のLH1は約35nmも長い915nmに吸収極大をもっている。これらの挙動にカルシウムイオン(Ca2+)が深く関わっていることがわかっている。そこで、結晶構造から推測されたCa配位アミノ酸残基の役割と寄与の度合いを調べるために遺伝子工学的手法により変異を導入し、改変することによってQy遷移がどのような挙動を示すのかを検証するとともに、各種変異体の特性評価と構造解析を行った。その結果、LH1α鎖における49位のアミノ酸残基Asp49がLH1の分光学的挙動に重要な役割を果たすことが判明した。一方、LH1α鎖中の50位AsnがCa2+配位に関与しないことがわかった。これらの結果は最近高分解能の結晶構造解析（Nature 556, 209; 2018）によって実証され、米国科学アカデミー紀要に掲載された（Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, 10906; 2017）。
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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
本補助金を受ける前から通常の菌体培養から色素タンパク質複合体の精製、特性評価まで各種予備実験などを行っていたため、本研究課題をスムーズに開始させることができた。二年目の今年は遺伝子組換えを施した変異株の生育速度が予想より遅かったことやアミノ酸変異をもつキメラ型複合体の単離精製に長い時間がかかったことはあったが、連携・協力研究者たちとの努力によって長い年月をかけて取り組んできたハイブリッド型LH1-RCの作製と各種生化学・分光学的特性評価を行うことができた。また、この成果を速やかに学会発表と国際学術論文誌を通して社会に発信することができた。以上のことを総合的に判断した結果、上記の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果を踏まえ、今後次の実験を計画している。光合成細菌の光合成膜は脂質と膜タンパク質から構成され、その割合は菌種によって異なるが、紅色硫黄細菌では膜全体の約50~70%が脂質であることが知られている。膜タンパク質の機能や性質を理解する上で膜中で特異的に相互作用する脂質成分に関する知見が必要不可欠である。まず様々な紅色細菌の光合成膜中に含まれるリン脂質の組成を同定し、菌体の生育条件や膜タンパク質の性質との関連性を探ることを目指す。具体的には、各種紅色光合成細菌から光合成膜小胞を単離し、クロロホルム/メタノール/水(体積比1:1:1)を加えて脂質を抽出し、凍結乾燥する(Bligh-Dyer法)。リン脂質の組成は、重クロロホルム/メタノールを溶媒として、31P-NMRにより測定する。また、MALDI-TOF/MSを使用し、リン脂質の脂肪酸の分析を行う。一方、光合成膜内で電子伝達を司るキノン分子について各種紅色光合成細菌より単離し、キノン分子の種類や分布を調べるとともにその特性評価を行う予定である。
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