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2021 Fiscal Year Annual Research Report

極限環境下に生きる光合成微生物の生存戦略の解明―その分光学と構造生物学的研究

Research Project

Project/Area Number 20H02856
Research InstitutionIbaraki University

Principal Investigator

大友 征宇  茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10213612)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords光合成
Outline of Annual Research Achievements

光合成細菌の最もコアな部分である光捕集反応中心超分子複合体(LH1-RC)は、特異な分光学的性質とユニークな立体構造をもつ。本研究では、様々な極限環境下に生きる光合成細菌(好熱、好冷、好塩、好アルカリ、好酸など)を用いて、(i)光捕獲と光電変換を司るLH1-RC複合体の特異な分光学的挙動の特定、(ii)過酷な生育条件にも耐えうる光合成膜とLH1-RCの構造安定性の評価、(iii)これらの分光学的特性と構造安定性をもたらす構造的要因の原子レベルでの解明を目的とする。本研究で得られる知見から、より実用性の高い高効率の集光アンテナと光電変換素子の作成ならびに人工光合成システムの構築に対して根拠となる設計指針を与える。
本年度はこれまで最も良く研究され、光合成細菌のモデルとして用いられてきたRhodobacter (Rba.) sphaeroides由来の光捕集反応中心複合体LH1-RC二量体構造を決定し、詳細なキノン輸送経路を原子レベルで調べることを可能にした。二量体構造は単純に単量体が2個結合した形状ではなく、非対称な形をとり、構成する2つのLH1-RC単量体のキノンの出入口は、互いに位置やサイズが異なり、エネルギー変換の調節機能をもっている可能性が示唆された。さらに、LH1-RC単量体複合体から2021年に発見したprotein-Uは、欠損株のタンパク質精製実験から二量体の安定化効果があることがわかっていたが、今回新たな欠損株の立体構造を決定し、protein-Uが単量体の安定化にも役立っていることが明らかとなった。この成果は国際学術誌(Nature Communications 13, 1904; 2022)に掲載された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度はRba. sphaeroidesの単量体LH1-RCの構造を決定し、その後二量体の構造解析を開始した。今年度は二量体LH1-RCに加え、好酸菌や好熱菌由来のLH1-RC複合体の構造解析も行った、極限環境下における光合成機能の最適化機構を明らかにした。現在これらの成果をまとめる学術論文の発表に目処がついたことから総合的に判断した結果、上記の評価とした。

Strategy for Future Research Activity

これまで常温菌に加え、好酸菌と好熱菌由来のLH1-RC複合体の構造解析を行った。今後より極限な環境下に生息する高度好塩・好熱・好アルカリ菌由来の光捕集複合体の構造を明らかにして行きたい。これらの菌体には培養が困難で、成長が遅いものが多く、さらにタンパク質複合体の単離精製が難しい場合が想定される。本研究はこれらの未知領域に踏み込み、極限環境下に生きる微生物の生存戦略の解明に挑む。今後これらの成果の公表に向けて取り組み、さらに新しい研究への展開を計っていきたい。

  • Research Products

    (9 results)

All 2022

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 4 results) Presentation (1 results)

  • [Journal Article] An LH1-RC photocomplex from an extremophilic phototroph provides insight into origins of two photosynthesis proteins2022

    • Author(s)
      Tani Kazutoshi、Kanno Ryo、Kurosawa Keigo、Takaichi Shinichi、Nagashima Kenji V. P.、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 5 Pages: 1197

    • DOI

      10.1038/s42003-022-04174-2

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Major Carotenoids of Meiothermus ruber Are Deinoxanthin Glucoside Esters, Not Meiothermoxanthin Glucoside Esters2022

    • Author(s)
      Asaka Ryo、Ohshima Kazuki、Kawasaki Shinji、Maoka Takashi、Tode Chisato、Wang-Otomo Zheng-Yu、Takaichi Shinichi
    • Journal Title

      Journal of Natural Products

      Volume: 85 Pages: 2266~2273

    • DOI

      10.1021/acs.jnatprod.2c00271

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Asymmetric structure of the native Rhodobacter sphaeroides dimeric LH1-RC complex2022

    • Author(s)
      Tani Kazutoshi、Kanno Ryo、Kikuchi Riku、Kawamura Saki、Nagashima Kenji V. P.、Hall Malgorzata、Takahashi Ai、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Pages: 1904

    • DOI

      10.1038/s41467-022-29453-8

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Carotenoid Single-Molecular Singlet Fission and the Photoprotection of a Bacteriochlorophyll b-Type Core Light-Harvesting Antenna2022

    • Author(s)
      Zhang Yan、Qi Chen-Hui、Yamano Nami、Wang Peng、Yu Long-Jiang、Wang-Otomo Zheng-Yu、Zhang Jian-Ping
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 13 Pages: 3534~3541

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c00519

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A Ca-binding motif underlies the unusual properties of certain photosynthetic bacterial core light-harvesting complexes2022

    • Author(s)
      Tani Kazutoshi、Kobayashi Kazumi、Hosogi Naoki、Ji Xuan-Cheng、Nagashima Sakiko、Nagashima Kenji V.P.、Izumida Airi、Inoue Kazuhito、Tsukatani Yusuke、Kanno Ryo、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Ishikawa Isamu、Okura Yoshihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 298 Pages: 101967~101967

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.101967

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Salt- and pH-dependent thermal stability of photocomplexes from extremophilic bacteriochlorophyll b-containing Halorhodospira species.2022

    • Author(s)
      Kimura, Y., Nakata, K., Nojima, S., Takenaka, S., Madigan, M. T. & Wang-Otomo, Z.-Y.
    • Journal Title

      Microoganisms

      Volume: 10 Pages: 959

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Identification of metal-sensitive structural changes in the Ca-binding photocomplex from Thermochromatium tepidum by isotope-edited vibrational spectroscopy2022

    • Author(s)
      Kimura Yukihiro、Imanishi Michie、Li Yong、Yura Yuki、Ohno Takashi、Saga Yoshitaka、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 156 Pages: 105101~105101

    • DOI

      10.1063/5.0075600

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Allochromatium tepidum, sp. nov., a hot spring species of purple sulfur bacteria2022

    • Author(s)
      Madigan Michael T.、Absher Jill N.、Mayers Joseph E.、Asao Marie、Jung Deborah O.、Bender Kelly S.、Kempher Megan L.、Hayward Mackenzie K.、Sanguedolce Sophia A.、Brown Abigail C.、Takaichi Shinichi、Kurokawa Ken、Toyoda Atsushi、Mori Hiroshi、Tsukatani Yusuke、Wang-Otomo Zheng-Yu、Ward David M.、Sattley W. Matthew
    • Journal Title

      Archives of Microbiology

      Volume: 204 Pages: 115

    • DOI

      10.1007/s00203-021-02715-7

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 昨年発表した「紅色細菌の昇温培養に対するカロテノイド生合成系の調節」のその後2022

    • Author(s)
      大友征宇
    • Organizer
      光合成セミナー2022

URL: 

Published: 2023-12-25  

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