原子間力顕微鏡を用いた光合成アンテナ色素蛋白複合体超分子配置のイメージング

• 研究課題/領域番号: 14654072
• 研究種目: 萌芽研究
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 物理学一般
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 橋本 秀樹 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 教授 (50222211)
• 研究分担者: 酒井 弘一 (株)日本ローパー, 研究員
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 3,400千円 (直接経費: 3,400千円); 2004年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2003年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2002年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: 原子間力顕微鏡 / 電子顕微鏡 / 光合成膜 / アンテナ色素蛋白複合体 / 超分子配列 / イメージング / 人工光合成膜 / 二次元結晶 / 超分子配置 / アンテナ性色素蛋白複合体

研究概要

光合成細菌の光合成系は,二種類のアンテナ色素蛋白複合体(LH1及びLH2)と光反応中心(RC)の3つの色素蛋白複合体が,有機的に結合した超分子配置を形成することにより生理機能を発現している。光合成膜蛋白質の結晶構造解析の成功により,RC, LH1,LH1-RCコア複合体,LH2の構造が原子スケールで明らかにされつつある。つい最近、オランダ・英国・米国の研究グループが共同で、天然由来の光合成膜におけるLH2アンテナおよびRC-LH1コア複合体の超分子配列の原子間力顕微鏡(AFM)を用いたその場観察を実現し、その成果を本年8月24日発刊の学術雑誌Nature(430,1058-1062)に発表した。その報告を受けて,最終年度は,AFM測定に最適と考えられる平坦な光合成膜を持つ紅色光合成細菌、Rps. viridis及びRps. acidophilaに注目し,これらの光合成細菌からのRC-LH1コア複合体の調製と,精製したコア複合体をリン脂質2重層膜に再構築することに焦点を絞り,勢力的に研究を展開した。透過型電子顕微鏡を用いた観測により,人為的に再構築した人工光合成膜において,LH1複合体の直径10mmに対応する環状の構造体が細密充填構造(2次元結晶)を取り配列している画像を取得した。今後,同様の手法を用いて任意比率でLH2およびRC-LH1複合体を再構築することにより,光合成膜中における各アンテナ複合体間のコヒーレントなエネルギー伝達機構を解明するための,人工光合成膜試料の開発が可能となることが期待される。これと平行して,光合成細菌Rps. rubrumのLH1アンテナ色素蛋白複合体を,単量体ユニットに分解した後に,再び人為的に再構築して複合体を調製する手法を確立した。上述の人工光合成膜の調製技術と合わせる事で,色素系を改変した人工の光合成色素蛋白複合体の巨視的コヒーレンスの探索が可能となることが期待される。このように,本プロジェクトは当初計画を大きく上回る研究成果を達成して,終了することとなった。

研究成果

• [雑誌論文] Rapid energy transfer in light-harvesting small dendrimers (2005)
  • 著者名/発表者名: I.Akai, H.Nakao, K.Kanemoto, T.Karasawa, H.Hashimoto, M.Kimura
  • 雑誌名: J.Luminescence (In press)
• [雑誌論文] Dynamics of carotenoids probed by femtosecond absorption, fluorescence, and Raman spectroscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yoshizawa, D.Kosumi, M.Komukai, K.Yanagi, H.Hashimoto
  • 雑誌名: Proc.Int.Conf.Ultrafast Phenomena (In press)
• [雑誌論文] Energy flow in carotenoids, studied with pump-deplete-probe, multiphoton and coherent control spectroscopy (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Buckup, W.Wohlleben, B.Heinz, M.Motzkus, J.Savolainen, J.L.Herek, H.Hashimoto, R.J.Cogdell
  • 雑誌名: Proc.Int.Conf.Ultrafast Phenomena (In press)
• [雑誌論文] Sub-20-fs study of energy relaxation in carotenoids in solution and inside light-harvesting complexes (2005)
  • 著者名/発表者名: G.Cerullo, D.Polli, G.Lanzani, H.Hashimoto, R.J.Cogdell
  • 雑誌名: Proc.Int.Conf.Ultrafast Phenomena (In press)
• [雑誌論文] Local Electrostatic Field Induced by the Carotenoid Bound to the Reaction Center of the Purple Photosynthetic Bacterium Rhodobacter sphaeroides (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Yanagi, M.Shimizu, H.Hashimoto, A.T.Gardiner, A.W.Roszak, R.J.Cogdell
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 109 ページ: 992-998
• [雑誌論文] Electroabsorption spectroscopy of β-carotene homologs : anomalous enhancement of Δμ (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Yanagi, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell, H.Hashimoto
  • 雑誌名: Phys.Rev.B (In press)
• [雑誌論文] Concentration-dependence of photoluminescence properties in polythiophene diluted in an inactive polymer matrix (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Kanemoto, M.Shishido, T.Sudo, I.Akai, H.Hashimoto, T.Karasawa
  • 雑誌名: Chem.Phys.Lett. 402 ページ: 549-553
• [雑誌論文] Protein Regulation of Carotenoid Binding : Gatekeeper and Locking Amino Acid Residues in Reaction Centres of Rhodobacter sphaeroides (2004)
  • 著者名/発表者名: A.W.Roszak, K.McKendrick, A.T.Gardiner, I.A.Mitchell, N.W.Isaacs, R.J.Cogdell, H.Hashimoto, H.A.Frank
  • 雑誌名: Structure 12 ページ: 765-773
• [雑誌論文] Stark spectroscopy on the LH2 complex from Rhodobacter sphaeroides G1C ; frequency and temperature dependence (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Yanagi, H.Hashimoto, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell
  • 雑誌名: J.Phys.Chem 108 ページ: 10334-10339
• [雑誌論文] The Very Early Events Following Photoexcitation of Carotenoids (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Hashimoto, K.Yanagi, M.Yoshizawa, D.Polli, G.Cerullo, G.Lanzani, S.De Silvestri, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell
  • 雑誌名: Arch.Biochem.Biophys 430 ページ: 61-69
• [雑誌論文] Pump-deplete-probe spectroscopy and the puzzle of carotenoid dark states (2004)
  • 著者名/発表者名: W.Wohlleben, T.Buckup, H.Hashimoto, R.J.Cogdell, J.L.Herek, M.Motzkus
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 108 ページ: 3320-3325
• [雑誌論文] Effect of the inhomogeneous band-broadening on the nonlinear optical properties of hydrazones (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Yanagi, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell, H.Hashimoto
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 69
• [雑誌論文] Ultrafast Relaxation Processes of Photosynthetic Carotenoids (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Hashimoto, T.Sashima, K.Yanagi, M.Yoshizawa
  • 雑誌名: Rev.Laser Engineer 32 ページ: 701-710
  • NAID: 10014032206
• [雑誌論文] Conjugation Length Dependence of Internal Conversion in Carotenoids : Role of the Intermediate State (2004)
  • 著者名/発表者名: D.Polli, G.Cerullo, G.Lanzani, S.De Silvestri, K.Yanagi, H.Hashimoto, R.J.Cogdell
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 16
• [文献書誌] H.Hashimoto, K.Yanagi, M.Yoshizawa, D.Polli, G.Cerullo, G.Lanzani, S.De Silvestri, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell: "The very early events following photoexcitation of carotenoids"Arch.Biochem.Biophys.. (In press). (2004)
• [文献書誌] K.Yanagi, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell, H.Hashimoto: "The effect of inhomogeneous band-broadening on the nonlinear optical properties of hydrazones"Phys.Rev.B. (In press). (2004)
• [文献書誌] K.Yanagi, H.Hashimoto, A.T.Gardiner, R.J.Cogdell: "Stark spectroscopy on the LH2 complex from Rhodobacter sphaeroides G1C ; frequency and temperature dependence"J.Phys.Chem.B. (In press). (2004)
• [文献書誌] A.W.Roszak, K.McKendrick, A.T.Gardiner, I.A.Mitchell, N.W.Isaacs, R.J.Cogdell, H.Hashimoto, H.A.Frank: "Protein regulation of carotenoid Binding : gatekeeper and locking amino acid residues in reaction centers of Rhodobacter sphaeroides"Structure. (In press). (2004)
• [文献書誌] R.J.Cogdell, H.Hashimoto, A.T.Gardiner: "Purple bacterial light-harvesting complexes : from dreams to structures"Photosynth.Res.. (In press). (2004)
• [文献書誌] W.Wohlleben, T.Buckup, H.Hashimoto, R.J.Cogdell, J.L.Herek, M.Motzkus: "Pump-deplete-probe spectroscopy and the puzzle of carotenoid dark states"J.Phys.Chem.B. 108. 3320-3325 (2004)
• [文献書誌] H.Hashimoto, K.Yanagi: "photosynthesis and pigment-protein complexes"Electrochemistry. 71. 960-965 (2003)
• [文献書誌] S.Hirota, H.Inoue, R.Tateishi, H.Hashimoto, Y.Yomita, M.Murakoshi, T.Nigo, T.Sekimoto, J.Yokoyama, H.Funayama: "Assessment of conjunctional impression cytology method (CIC) of β-carotene and canthaxanthin fed vitamin A deficient rats"日本食生活学会誌. 14. 194-199 (2003)
• [文献書誌] A.Sugita, K.Yanagi, K.Kuroyanagi, H.Takahashi, S.Aoshima, Y.Tsuchiya, S.Tasaka, H.Hashimoto: "Photo-excited state of N-benzyl MNA studied by femtosecond time-resolved absorption spectroscopy"Chem.Phys.Lett.. 382. 693-698 (2003)
• [文献書誌] D.Polli, G.Cerullo, G.Lanzani, S.De Silvestri, H.Hashimoto, R.J.Cogdell: "Excited-state dynamics of carotenoids with different conjugation length"Synth.Metals. 139. 893-896 (2003)
• [文献書誌] H.Inoue, R.Tateishi, Y.Kimura, Y.Ozawa, K.Isobe, K.Nomura, T.Naoka, H.Hashimoto, S.Hirota: "Comparative study of different content in chlorophylls, carotenoids, vitamin C, E and Minerals among various vegetable crops"日本食生活学会誌. 13. 271-278 (2003)
• [文献書誌] M.Yoshizawa, H.Aoki, M.Ue, H.Hashimoto: "Ultrafast relaxation kinetics of excited states in a series of mini- and macro-β-Carotenes"Phys.Rev.B. 67. 174302 (2003)
• [文献書誌] K.Yanagi, T.Kobayashi, H.Hashimoto: "Origin of transition dipole-moment polarizability and hyperpolarizability in hydrazones"Phys.Rev.B. 67. 115122 (2003)
• [文献書誌] M.Yoshizawa, H.Aoki, M.Ue, H.Hashimoto: "Ultrafast relaxation kinetics in mini- and macro-carotenes investigated by femtosecond absorption and Raman spectroscopy"Carotenoid Science. 6. 24-25 (2003)
• [文献書誌] H.Inoue, A.Tateishi, Y.Kimura, Y.Ozawa, K.Isobe, K.Nomura, T.Maoka, H.Hashimoto, J.Shi, K.Zhao, S.Hirota: "Contents and compositions of chlorophylls, carotenoids, vitamin C, vitamin E, and minerals in deep color and light color vegetable crops and their correlation"Carotenoid Science. 6. 5-8 (2003)
• [文献書誌] 高橋 宏典, 橋本 秀樹: "超高速光エレクトロニクス技術ハンドブック"リアライズ理工センター. 618 (2003)
• [文献書誌] M.Yoshizawa, H.Aoki, M.Ue, H.Hashimoto: "Ultrafast relaxation kinetics of Excited states in a series of mini-and macro-β-carotenes"Phys. Rev. B. (In press). (2003)
• [文献書誌] K.Kuroyanagi, H.Takahashi, K.Yanagi, A.Sugita, H.Hashimoto, S.Aoshima, Y.Tuchiya: "Generation and detection of terahertz radiation from an organic single crystal using a regenerative amplifier"Proc. APLS2002. (In press). (2003)
• [文献書誌] K.Yanagi, T.Kobayashi, H.Hashimoto: "Origin of transition dipole-moment polarizability and hyperpolarizability in hydrazones"Phys. Rev. B. 67. 115122-1-115122-9 (2003)
• [文献書誌] T.Sashima, H.Hashimoto, S.Koshihara: "Selective isomerization of retinal upon two-photon excitation"Chem. Phys. Lett.. 369. 380-385 (2003)
• [文献書誌] G.Cerullo, D.Poli, G.Lanzani, S.De Silvestri, H.Hashimoto, R.J.Cogdell: "Photosynthetic light harvesting by carotenoids : detection of an intermediate excited state"Science. 298. 2395-2398 (2002)
• [文献書誌] M.Yoshizawa, H.Hashimoto: "Vibrational relaxation of excited states in a series of carotenes with several polyene lengths"SPIE proc. of International Symposium on Optical Science and Technology. 4812. 15-23 (2002)
• [文献書誌] A.J.Young, D.M.Phillip, H.Hashimoto: "Ring-to-chain conformation may be a determining factor in the ability of xanthophylls to bind to the bulk light-harvesting complex of plants"J. Mol. Struct.. 642. 137-145 (2002)
• [文献書誌] M.Yoshizawa, H.Aoki, H.Hashimoto: "Femtosecond time-resolved Raman signals on ultra-fast dynamics in all-trans-β-carotene"Bull. Chem. Soc. Japan. 75. 949-955 (2002)
• [文献書誌] D.Phillip, S.Hobe, H.Paulsen, P.Molnar, H.Hashimoto, A.J.Young: "The binding of xanthophylls to the bulk light-harvesting complex of photosystem II of higher plants : a specific requirement for carotenoids with a 3-hydroxy-β-end group"J. Biol. Chem.. 277. 25160-25169 (2002)
• [文献書誌] S.Hirota, H.Inoue, A.Tateishi, K.Sekimoto, J.Yokoyama, H.Funayama, F.Hirahata, M.Oyaizu, H.Hashimoto: "Metabolism and the effects on anti-oxidant activity of carotenoids fed on vitamin A deficient rats ; the effect of additional sodium cholate"Carotenoid Science. 5. 28-29 (2002)
• [文献書誌] Y.Kameoka, K.Yanagi, T.Yamada, T.Kobayashi, R.J.Coddell, H.Hashimoto: "Nonlinear optical properties of carotenoids bound to chromatophore membranes"Carotenoid Science. 5. 37-38 (2002)
• [文献書誌] K.Yanagi, T.Nakashima, T.Yamada, T.Kobayashi, H.Hashimoto: "Nonlinear optical properties of hydrazones derived from biological polyenes"Carotenoid Science. 5. 41-42 (2002)
• [文献書誌] S.Hirota, H.Inoue, A.Tateishi, K.Sekimoto, J.Yokoyama, H.Funayama, F.Hirahata, M.Ouaizu, H.Hashimoto: "Effect of antioxidation and metabolism of β-carotene and canthaxanthin fed vitamin A deficient rats"Nihon Shokuseikatsu Gakkaishi. 13. 27-34 (2002)
• [文献書誌] R.Fujii, K.Furuichi, J.-P.Zhang, H.Nagae, H.Hashimoto, Y.Koyama: "Cis-to-trans isomerization in triplet spheroidene as detected by time-resolved absorption spectroscopy"J. Phys. Chem. A. 106. 2410-2421 (2002)
• [文献書誌] H.Hashimoto, T.Yoda, T.Kobayashi, A.J.Young: "Molecular structures of carotenoids as predicted by MNDO-AM1 molecular orbital calculations"J. Mol. Struct.. 604. 125-146 (2002)