Regulation of light-harvesting strategy dependent on proton motive forth in the red-lineage oxyphototrophs

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 19H04726
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 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): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 光合成 / 光捕集 / 集光性色素タンパク質 / 励起エネルギー移動

Outline of Annual Research Achievements

集光性色素タンパク質（LHC）は、光エネルギーを捕集し、光化学系タンパク質（PSI、PSII）へと伝達する重要な役割を担う。LHCは光合成生物種間で多様であり、タンパク質構造の違いに加え、色素分子の種類や数の違いも見出されている。このようなLHCの広い多様性は、光合成生物の見た目の色の違いをもたらす。色の違いにより、励起エネルギー伝達機構も異なることが知られている。励起エネルギー伝達は様々な摂動により変化し、中でもpHによる変化は、色素分子周辺の構造変化が要因となり、色素間相互作用の変化よって生じると考えられている。光合成生物は光が強いと感じると、光阻害が起こる。光阻害が進行することによりチラコイド膜のルーメン側が酸性化される。このように生体内でもpH変化は容易に起こるため、pH変化による励起エネルギー伝達機構の理解は光防御機構を知る上でも重要な位置づけにある。本研究は褐色を呈する珪藻を材料とし、珪藻の特殊なLHCであるフコキサンチンクロロフィルタンパク質（FCP）のpH変化による励起エネルギー伝達機構の解明を目指す。
珪藻のPSI-FCPI超複合体を用いて、pH5.0, 6.5, 8.0のそれぞれに順応させ、時間分解蛍光分光測定を行った。pH5.0において蛍光の減衰が促進された。さらに、pH変化により励起エネルギー移動経路の変化も観測された。酸性pHによって誘導されるエネルギー移動経路およびエネルギー消光の変化は、色素分子周辺のタンパク質構造変化に起因するのだろう。これらの結果を論文として纏めた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

2019年度にPSI-FCPIにおけるpH変化による励起エネルギー伝達機構に関する論文がJournal of Physical Chemistry Lettersに採択された。別途、シアノバクテリアのPSIにおけるpH変化による励起エネルギー伝達機構に関する論文がJournal of Physical Chemistry Bに採択された。
次のプロジェクトとして、FCP単体のpH変化による励起エネルギー伝達機構の挙動を観測した。光化学系タンパク質から分離されたFCPをpH5.0, 6.5, 8.0のそれぞれに順応させ、時間分解蛍光分光測定を行った。pH5.0にすることで蛍光減衰の促進および励起エネルギー移動経路の変化が観測された。これらはPSI-FCPIでの挙動と似ていた。上記の成果について、現在、論文を投稿しているところである。

Strategy for Future Research Activity

2020年度中にFCP単体のpH変化による励起エネルギー伝達に関する研究成果を論文として纏める。現時点で論文を投稿しているため、今年度中の成果が見込まれる。
珪藻は、中心目と羽状目という二つのグループに大別される。これまでは主に中心目珪藻のFCPについて研究してきた。昨年度から羽状目珪藻のFCPと光化学系タンパク質との超複合体の精製に取り組んでいる。本年度も引き続き、超複合体の精製に挑戦する。
尚、研究計画の変更はなく、引き続き珪藻FCPにおいてpH変化と励起エネルギー伝達の関係を調べていく。

Research Products

• [Journal Article] pH-induced regulation of excitation energy transfer in cyanobacterial photosystem I tetramer (2020)
  • Author(s): Nagao, R., Yokono, M., Ueno, Y., Jiang, T.-Y., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 124 Pages: 1949-1954
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c01136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excitation-energy transfer and quenching in diatom PSI-FCPI upon P700 cation formation (2020)
  • Author(s): Nagao, R., Yokono, M., Ueno, Y., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 124 Pages: 1481-1486
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c00715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis for the adaptation and function of chlorophyll f in photosystem I (2020)
  • Author(s): Kato, K., Shinoda, T., Nagao, R., Akimoto, S., Suzuki, T., Dohmae, N., Chen, M., Allakhverdiev, S.I., Shen, J.-R., Akita, F., Miyazaki, N., Tomo, T.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 Pages: 238
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13898-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure of a cyanobacterial photosystem I tetramer revealed by cryo-electron microscopy (2019)
  • Author(s): Kato, K., Nagao, R., Jiang, T.-Y., Ueno, Y., Yokono, M., Chan, S. K., Watanabe, M., Ikeuchi, M., Shen, J.-R., Akimoto, S., Miyazaki, N., Akita, F.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 10 Pages: 4929
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12942-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spectral properties and excitation relaxation of novel fucoxanthin chlorophyll a/c-binding protein complexes (2019)
  • Author(s): Ueno, Y., Nagao, R., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 10 Pages: 5148-5152
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02093
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] pH-sensing machinery of excitation energy transfer in diatom PSI-FCPI complexes (2019)
  • Author(s): Nagao, R., Yokono, M., Ueno, Y., Shen, J.-R., Akimoto, S.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 10 Pages: 3531-3535
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01314
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Cryo-EM Structure of the Diatom PSII-FCPII: Insights into the Evolutionary Development of Light-Harvesting Complexes (2019)
  • Author(s): Ryo Nagao, Fusamichi Akita, Koji Kato, Takehiro Suzuki, Kentaro Ifuku, Ikuo Uchiyama, Yasuhiro Kashino, Naoshi Dohmae, Seiji Akimoto, Naoyuki Miyazaki, Jian-Ren Shen
  • Organizer: 3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural basis of energy harvesting and dissipation in diatom PSII-FCPII (2019)
  • Author(s): Ryo Nagao, Fusamichi Akita, Koji Kato, Takehiro Suzuki, Kentaro Ifuku, Ikuo Uchiyama, Yasuhiro Kashino, Naoshi Dohmae, Seiji Akimoto, Naoyuki Miyazaki, Jian-Ren Shen
  • Organizer: 9th Asia-Oceania Conference on Photobiology (AOCP2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光化学系膜タンパク質複合体のクライオ電顕構造解析 (2019)
  • Author(s): 長尾遼
  • Organizer: 第27回「光合成セミナー2019：反応中心と色素系の多様性」
  • Invited
• [Presentation] Structural basis of energy harvesting and dissipation in diatom PSII-FCPII complexes revealed by cryo-electron microscopy (2019)
  • Author(s): Ryo Nagao, Fusamichi Akita, Koji Kato, Takehiro Suzuki, Kentaro Ifuku, Ikuo Uchiyama, Yasuhiro Kashino, Naoshi Dohmae, Seiji Akimoto, Naoyuki Miyazaki, Jian-Ren Shen
  • Organizer: 10th-International Meeting Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 珪藻の光化学系II-集光性タンパク質複合体FCPIIのクライオ電顕構造解析 (2019)
  • Author(s): 長尾 遼、秋田 総理、加藤公児、鈴木健裕、伊福健太郎、内山郁夫、菓子野康浩、堂前直、秋本誠志、宮崎直幸、 沈建仁
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第７５回学術講演会
• [Presentation] Anabaena sp. PCC 7120由来の光化学系I四量体のクライオ電顕構造解析 (2019)
  • Author(s): 長尾 遼、加藤 公児、蒋天翼、植野嘉文、横野牧生、陳兆傑、渡辺麻衣、池内昌彦、沈建仁、秋本誠志、宮崎直幸、秋田総理
  • Organizer: 第10回日本光合成学会