2022 Fiscal Year Final Research Report

Functional and structural elucidation of photosynthetic supercomplexes from thermophilic cyanobacteria

Research Project

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Project/Area Number	20K06528
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 43020:Structural biochemistry-related
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	Kawakami Keisuke 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 研究員 (40619904)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	長尾遼岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任講師 (30633961)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	光合成 / 光捕集 / 光エネルギー伝達 / 光化学系 / クライオ電子顕微鏡
Outline of Final Research Achievements	Algae on the earth carry out their life through photosynthesis, which utilizes light energy from the sun. Phycobilisome (PBS) is a large water-soluble light-harvesting protein complex that transfers absorbed light energy to photosystem proteins complexes [photosystem I (PSI), photosystem II (PSII)]. The structure of PBS is important for understanding the mechanism of light-harvesting and energy transfer in algae. In this study, the structure of PBS from thermophilic cyanobacteria was analyzed using cryo-electron microscopy to reveal its detailed structure and to elucidate the light-harvesting mechanism of PBS. As a result, I was able to analyze the structure of PBS from thermophilic cyanobacteria at a 3.7-angstrom resolution to reveal its detailed structure, and the energy transfer pathway in PBS was clarified together with spectroscopic analysis (Kawakami et al., BBA, 2020; Hirota et al., Photosynth. Res., 2021; Kawakami et al., Nat. Commun., 2022).
Free Research Field	構造生物学、光合成、植物生理学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	藻類は太陽の光エネルギーを吸収して光合成を行っている。藻類が持つ巨大な水溶性の光捕集蛋白質フィコビリソーム（PBS）は、吸収した光エネルギーを主に光化学系IIに伝達する。PBSの立体構造とその機能を明らかにすることは、藻類の光捕集・エネルギー伝達の仕組みを理解する上で極めて重要である。本研究によって、PBSの立体構造とその機能を、クライオ電子顕微鏡解析よって明らかにした。本研究成果は、光合成の初期過程である光エネルギーを吸収する仕組みを解明したものである。藻類の光捕集の仕組みを理解し、この知見を人工光合成研究に取り入れることで、高効率光エネルギー伝達デバイスの開発に貢献できると期待される。