2023 Fiscal Year Research-status Report
非酸素発生型光合成細菌のPS Iタイプ反応中心の分子構築と反応機構の全容解明
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21K06112
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大岡 宏造 大阪大学, 全学教育推進機構, 教授 (30201966)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 光合成 / 反応中心 / エネルギー移動 / 電荷分離 / 超高速分光 / ヘリオバクテリア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．超高速分光によるヘリオバクテリア反応中心におけるエネルギー移動過程の解析
反応中心はPshAとPshXサブユニットの2組から構成され、含まれる光合成色素（54個のBChl g, 4個のBchl g’, 2個のOH-Chl a, 2個のカロテノイド（Car））が対称的に配置されているのが特徴である。PshXサブユニットは膜1回貫通の小サブユニットであり、2個のBChl gを配位している。今年度は、この変異株をK.E. Redding教授（米国）から入手し、PshX欠失反応中心における色素間励起エネルギー移動の反応過程を超高速分光による解析を行った。
最初に低温140Ｋ下、波長820 nmでBChl gのQyピークの裾野を選択的に励起した。グローバル解析の結果、野生型反応中心に見られていたCarのphotochromic-band shiftの強度が小さくなり、電荷分離形成反応の効率も僅かに減少することが分かった。また電荷分離状態との相互作用に由来すると考えていたCarのelectrochromic-band shiftは完全に消失してしまった。さらにCarを490nmで選択的に励起したところ、野生型反応中心と比較して電荷分離形成能は著しく減少することが分かった。PshXサブユニットを欠失した変異反応中心には2個のCarが含まれているが、本来とは異なる位置に存在し、効率的なエネルギー移動に関与していないことが明らかになった。
２．コヒーレント分光による解析の試み
ヘリオバクテリアRCのコヒーレント分光による解析を試みた。検出波長666 nm（A0）では非常に短い時間（100フェムト秒程度）においてコヒーレンスが観測された。A0と強く分子間相互作用するBChl gの存在が示唆され、その候補としてAccまたはBChl g-27が挙げられた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究ではヘリオバクテリア反応中心における色素間励起エネルギー移動および初期電荷分離形成までの反応過程を100フェムト秒ポンプ・プローブ分光法という超高速分光を用いることで追跡し、立体構造情報を基盤に反応の素過程を分子レベルで詳細に記述することに成功している。そして始原型光合成反応におけるエネルギー変換過程の特性について、重要かつ新たな知見が蓄積されつつある。
一年目はカロテノイドの近くに長波長吸収帯を構成するBmd812とBmd787のBChl g集団が存在することを明らかにし，P800にエネルギーを渡すアンテナ色素として機能していることを示した。また二年目は816 nmに吸収を示す長波長アンテナ色素red-BChl gに励起エネルギーが一旦移動した後、初期電荷分離過程が始まることを明らかにすることができた。さらに三年目にはPshXサブユニットに結合する2個のBChl gが近傍Carとの励起子相互作用により近赤外光の光エネルギーを効率的に利用する機能を有することを明らかにした。
このように本研究目的である「光合成細菌のもつタイプ１反応中心の分子構築と反応機構の全容解明」に向けて、非常に素晴らしい研究成果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヘリオバクテリア反応中心の超高速分光によるエネルギー移動および電子移動過程の解析は非常に順調に進んでいる。カロテノイドからアンテナBChl gへの高効率の励起エネルギー移動に関しては、昨年度に得られた野生型反応中心に対し、今年度に新たに得られたPshX欠失反応中心のデータと比較しながら投稿論文としてまとめる予定である。ヘリオバクテリア反応中心に特異的に存在するPshXサブユニットの機能について議論することが可能である。また新たに低温（140 K）での測定を行ったことで、過去に行った室温での測定結果と比較することが必要となり、励起エネルギー移動から初期電荷分離までの過程を詳細に検討した。長波長アンテナ色素red-BChl gの存在が明らかとなり、初期電荷分離に至る過程に関する投稿論文を準備することを考えている。
さらにK.E. Redding教授（米国）からは，他に2種類の変異株を譲り受けており、来年度に分光測定を進める予定である。一つはP800二量体に配位するHisをGlnやSerに置換した変異RC株であり、光合成的に生育することが分かっている。もう一つはA0成分（BChl g）と水素結合しているSer545、Ser553 をそれぞれHis、Ala に置換した変異RC株であり、電荷分離状態形成が70%に減少することが分かっている。変異RCタンパクを調製後、サブピコ秒からナノ秒の時間領域の過渡吸収変化を詳細に観察し、初期電荷分離状態がP800とAccのどちらのコファクターから始まるのか、その形成過程について明らかにしていく予定である。
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| Causes of Carryover |
（理由）昨年度（令和4年度）３月中旬に米国アリゾナ州立大学・Kevin教授のもとでヘリオバクテリアのCRISPR-Cas systemによる形質転換系を学んだ。その際、ホモダイマー型反応中心の分子基盤を研究していくために共同研究の必要性を提案され、K. Redding教授から3種類の変異RC株を譲渡してもらうことになった。今年度はPshX欠失株のみから調製した変異RCタンパクの解析を行ったため、標品の大量調製に必要な界面活性剤は備蓄していた量で十分であり、新規に購入する必要はなかった。また残り2種類の変異RC株については本年度（令和5年度）中に解析することができなかったために、来年度（令和6年度）に研究を継続する必要性が生じた。これらの理由により、次年度に試薬類・消耗品類の購入費を繰り越すことにした。
（今後の使用計画）令和6年度の研究遂行に必要とされる試薬類・消耗品類の購入費として使用予定である。標品の大量調製に必要な界面活性剤や精製用Ni樹脂の購入に充当する予定である。
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