Novel Energy Transfer Pathways and Their Ultrafast Dynamics of Biohybrid Light-harvesting Complexes

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01985
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 35010:Polymer chemistry-related
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: Dewa Takehisa 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70335082)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 近藤 政晴 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20571219) ; 長澤 裕 立命館大学, 生命科学部, 教授 (50294161)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 光合成 / バイオハイブリッド / 光収穫系複合体 / 超高速エネルギー移動

Outline of Final Research Achievements

In this study, we obtained new insights into two essential elements necessary for the development of light-harvesting systems for material conversion utilizing solar energy: (1) the absorption of light across a wide wavelength range and (2) ultrafast energy transfer between light-harvesting system dyes. We created a bio-hybrid light-harvesting complex by binding artificial fluorescent dyes to the natural light-harvesting complex (LH2). By altering the dye binding sites by creating LH2 mutants, we expanded the absorption wavelength range and constructed an ultrafast energy transfer system within sub-picoseconds. Furthermore, interestingly, molecular dynamics calculations revealed that covalently bound dyes exhibit approximately constant distances and orientations relative to LH2.

Free Research Field

生体高分子化学、生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

再生可能エネルギーとしての太陽光を効率よく利用するためには、幅広い波長領域にわたる光子を効率よく「収穫」する必要がある。光合成では光収穫系複合体中に含まれる複数の光合成色素により、吸収した光エネルギーを色素間で超高速エネルギー移動させることで効率よく光エネルギーを利用している。しかし、生物種により吸収波長領域が限定されている。本研究では、光吸収効率の低い波長領域を人工色素により補完し、人工色素から（バクテリオ）クロロフィルへ非常に効率よくエネルギー伝達することを可能にし、その機構を明らかにした。得られた知見は人工の光収穫系の設計戦略に活かされ、新たな光エネルギー変換システムの開発に寄与できる。