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2023 Fiscal Year Research-status Report

Elucidation of the novel non photochemical quenching by in vitro reconstitution of light-harvesting complex with carbonyl carotenoids.

Research Project

Project/Area Number 23K05721
Research InstitutionOsaka Metropolitan University

Principal Investigator

藤井 律子  大阪公立大学, 人工光合成研究センター, 准教授 (80351740)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 都出 千里  神戸薬科大学, 薬学部, 准教授 (20289036)
杉崎 満  大阪公立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (20360042)
岡 直宏  徳島大学, バイオイノベーション研究所, 准教授 (30513270)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Keywordsカルボニルカロテノイド / 光合成 / 集光蛋白質 / 緑藻 / シフォナキサンチン / 溶媒効果 / 低温蛍光 / 時間分解吸収
Outline of Annual Research Achievements

海洋性藻類は、海中の緑色光を高効率で光合成に利用する機構を持つ。この分子機構を解明することは、様々な植物の光合成生産量を増大し、たとえば穀物の収穫量を増大し、食糧問題の解決に寄与すると期待される。海洋性緑藻ミルにおいて、光合成アンテナ(SCP)に結合したシフォナキサンチン(Sx)という独特のカロテノイドが緑色光の利用に寄与することが知られている。我々は、生育時に青緑色の強い光を照射するとSxの構造から酸素(O)原子が一つ欠落したデオキシ体(dS)がSCPに結合することを見出した。天然のSCPには、Sxとそのエステルであるシフォネイン(Sn)が1:1で結合しており、これらSx, Sn, dSは、光応答を支配する部分構造である「発色団」が完全に同一であるにもかかわらず、無極性溶媒中でのみ吸収スペクトルが異なることがわかった。これは、炭素-炭素共役系に結合したC=O基を持つカルボニルカロテノイドに特有の分子内電子移動状態(ICT状態)に関わると予測される。ではSCPにSxの代わりにdSが結合すると光機能が変化し、それにより緑色光の利用効率が下がることで、青緑色の強い光に対する防御機構となるのだろうか。そこで本研究では、まず、様々な有機溶媒中におけるdSの光応答を吸収、共鳴ラマン、蛍光分光及び時間分解吸収分光で徹底的に解明し、次に、大腸菌で大量発現させたタンパク質と色素を試験管内で正しくフォールドさせる「再構成法」を適用し、dSのみを結合した再構成SCPを調製して、タンパク質中におけるdSの光機能を実験的に明らかにする。これらの結果を総合的に解釈することにより、SCP中におけるSxの集光機能を解明することを目的とした。
今年度は、dS,Sxの光応答の溶媒依存性を明らかにした。様々な有機溶媒中で吸収、蛍光、時間分解吸収を比較し、Sxだけが持つOH基の役割が次第に明らかになってきた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通り、色素の有機溶媒中における分光学的挙動についてはほぼ計画した実験データは取得し、論文作成に着手している。有機合成に関しても概ね計画通りである。2年目から開始する予定の「再構成実験」のプトロコルの確立を実施したところ、再現性に問題がありそうということを含め、課題が明らかになってきた(概ね計画通り)。これに基づいて「今後の方針」に記載の通り、2年目より研究員を充足し、計画通りに進められるように計画を修正した。

Strategy for Future Research Activity

今年度より、蛋白質環境中での光応答を測定するために、再構成法による集光タンパク質の創生を実施する。これまでの予備的実験により、実験実施者によって結果の再現性に大きなばらつきが生じることがわかってきた。そこで、研究補助員を雇用して分光学的な再現性を得られるようにプロトコルを精査することと、同時にクライオ電顕法を用いて再構成体の構造解析を行うことにより、蛋白質中に結合した合成色素(dS)の環境の再現性の程度を把握した上で、分光学的応答の違いを議論することを目指す。

Causes of Carryover

およそ計画通りに支出した物品費の端数である。翌年度分と合算して活用する予定である。

  • Research Products

    (11 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] CEA Saclay(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      CEA Saclay
  • [Int'l Joint Research] University of Bayreuth(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      University of Bayreuth
  • [Int'l Joint Research] University of Padova(イタリア)

    • Country Name
      ITALY
    • Counterpart Institution
      University of Padova
  • [Int'l Joint Research] University of South Bohemia(チェコ)

    • Country Name
      CZECH
    • Counterpart Institution
      University of South Bohemia
  • [Presentation] シフォナキサンチンの蛍光特性:ICT状態の溶媒依存性の有無2023

    • Author(s)
      吉田和広、関荘一郎、山野由美子、永井健治、和沢鉄一、藤井律子
    • Organizer
      第35回カロテノイド研究談話会
  • [Presentation] Characterization of the emissive state of a photosynthetic carbonyl carotenoid, siphonaxanthin: Solvent effect of fluorescence spectra2023

    • Author(s)
      Kazuhiro Yoshida, Soichiro Seki, Yumiko Yamano, Takeharu Nagai, Tetsuichi Wazawa, Ritsuko Fujii
    • Organizer
      The 61st Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • [Presentation] Analysis of ICT state with fluorescence at low-temperature2023

    • Author(s)
      Kazuhiro Yoshida, Soichiro Seki, Yumiko Yamano, Ritsuko Fujii*
    • Organizer
      The 19th International Symposium on Carotenoids (ISC2023 Toyama)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural basis of the utilization of blue-green light by a siphonaxanthin-binding light-harvesting complex II from a marine macro green alga2023

    • Author(s)
      Ritsuko Fujii, Soichiro Seki
    • Organizer
      日米二国間光合成会議(US-Japan Binational Photosynthesis Workshop)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] カロテノイドのUV-B吸収帯とはどんな状態か:定常吸収および時間分解吸収スペクトルの溶媒効果2023

    • Author(s)
      関荘一郎、吉田和広、杉崎満、藤井律子
    • Organizer
      第35回カロテノイド研究談話会
    • Invited
  • [Book] カロテノイドの科学ー基礎、研究の広がり、生理活性2024

    • Author(s)
      高市真一 監修
    • Total Pages
      272
    • Publisher
      (株)シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1798-4
  • [Remarks] 人工光合成研究センター生体エネルギー論研究部門(藤井G)

    • URL

      https://www.omu.ac.jp/orp/fujii-group/

URL: 

Published: 2024-12-25  

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