2023 Fiscal Year Research-status Report
Experimental and theoretical survey of diverse far-red O2-evolving photosynthesis
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20K06684
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
伊藤 繁 名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (40108634)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 明洋 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (20345846)
井原 邦夫 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 准教授 (90223297)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 光合成反応中心 / 近赤外光 / 酸素発生 / クロロフィルーf / クロロフィルーd / 理論モデル / 構造決定 / 励起子理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物とシアノバクテリアの行う酸素発生型光合成反応は、可視光のエネルギーを利用し、地球生命の使うほぼ全エネルギーを供給する。H2Oを光反応で分解酸化し、大気中に副産物O2を放出し、取り出した電子でCO2を還元固定して糖を合成し、生命活動を支える。太陽光は、エネルギーの高い短波長光（紫外光）、可視光（紫ー赤）、より低エネルギーの長波長光（近赤外ー赤外光）を含む。酸素発生型光合成は、主要色素であるクロロフィルa (Chl a) が吸収する可視光（波長400-700nm）のみを使う。このため。地球上の光合成生物の生息領域も限られる。一方、太陽電池や人工光合成では、より広い波長範囲の光の利用も試みられている。しかし近年、可視光だけでなく、近赤外光も利用できる天然光合成系が我々も関わり発見された。これらは新型クロロフィルdやf（Chl d, Chl f）を使い近赤外光でも同じ光合成を行える。本研究では、これらの新型光合成系、さらにプロトタイプである光合成細菌の近赤外適応I型反応中心を対象に実験・理論研究を進めた。新しい光合成系の探索をさらに進め、反応機構の実験・理論両面からの検討、遺伝子操作による改変も行った。理論モデルによる解析法を開発し、近赤外光対応型光合成反応中心の実験・理論研究を行い、既知の光合成反応中心機能の理解も進めた。理論研究者と協力し分子構造を使い「光合成反応中心の精密理論モデル」を計算機中に作成し、人為構造改変に伴う、エネルギー移動効率や反応効率の変化などを予測した。生体光合成系は多数のクロロフィルが反応中心タンパク質内に規則的に固定され、全体が量子力学的に相互作用しあって光反応が進む。この仕組みを、実験と理論両面から総合的に検討することで、「なぜ、この構造が必要なのか？」「どうして変化が可能なのか？」を検討した。新型光合成系の作成法も検討した。
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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
当初の研究計画では、最近発見され、可視光より低エネギーの近赤外光を使う光合成系の多様性、反応機構、特に光化学系Ⅰ型反応中心の構造と機能、を明らかにすることを目的とした。これまでに、次の研究成果が得られた、(1)兵庫県立大、理研播磨との共同による新型クロロフィルdをもつシアノバクテリアの光化学系I反応中心の立体構造の解明。これにより、クロロフィルdとフェオフィチンaを結合する特異な反応中心の精密構造をあきらかにした。（２）さらに、この構造に励起子理論を適用し、クロロフィルd色素間の励起子相互作用、各色素と周囲タンパク質の静電相互作用を計算し、反応中心上に作られる、エネルギー状態を量子力学的に計算し、スペクトルと励起エネルギー移動速度を算定できた。（３）このような構造情報と理論解析を、別に緑色硫黄細菌の反応中心にも適用し、遺伝子操作による構造改変を行い、理論予測した。さらにChl-f型反応中心でも、理論モデルを作成、遺伝子操作による改変結果も理論予測し、さらに多様な光合成系も探索した。期待以上の成果があがり新しい研究方法が生まれた。
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| Strategy for Future Research Activity |
従来の光合成研究では、光合成生物と細菌の生物学的探索、得られた生物種を使っての生化学、生物物理学的な計測、さらに、光合成反応中心タンパク質の立体構造の決定、遺伝子操作を利用した構造改編、そして、量子力学理論を使用しての反応過程の解析が、それぞれ別の専門分野の研究者によって、個別に行われてきた。本研究では、異分野の研究者のnetworkを作り、同じ研究対象を異なる研究手法、技術、思考法で研究した。これにより、研究物間の相互作用、有機的な研究発展ができた。構造情報をもとに、理論家が理論モデルを作成し、これを使い、重要部分を予測し、遺伝子操作により改変する。この前後にも理論検討を行なう。このような新タイプの研究を さらに多様な光合成系についても展開している。理論解析は実験結果を予測し、実験は新しい理論課題を与える。あきらかになった構造のどの部分が、どのような機能をになうかを、多数のクロロフィル色素を含む、可視光型、近赤外光型の反応中心について、総合的に検討した。人工光合成系も考察する。同じ課題を理論、実験家が別に童子に検討する中で新しいタイプの生物研究者が生まれるであろう。このためにはnetworkを利用した検討は大変有効で、老若の知識と能力を結合できることがわかった。これを進める。
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| Causes of Carryover |
コロナ流行で実験研究が中断されたため 研究計画を変更し理論研究に関わる研究を増やし進める 本研究では(1)新型クロロフィルdをもつシアノバクテリアの光化学系I反応中心の立体構造の解明。(2)励起子理論を適用してのクロロフィル色素間の励起子相互作用、色素と周囲タンパク質の静電相互作用の計算、エネルギー状態の量子力学的計算を行い、吸収スペクトルと励起エネルギー移動速度を理論算定。(3)構造情報と理論解析を緑色硫黄細菌反応中心にも適用し、構造改変と、理論予測をした。さらにChl-f、Chl-f型反応中心で、理論・実験両面での研究をすすめている。(1)(2)は、論文、国際会議で発表済。(3)は国際会議での発表は中止のままで、改めて国内外での研究発表を予定。(4)は新たな研究体勢で進める が装置の一部故障で、理論面での新展開のみを進めた。計上した予算はレーザ実験装置の修理・能力向上、理論研究での計算能力の向上（小型計算機の更新と、大型計算機使用料）論文作成、国際会議発表の旅費、及び名古屋大学共用スペースの研究室の借用料（昨年度から倍額）に使用
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Research Products
(12 results)
