紅色光合成細菌による近赤外光電変換メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 19K06563
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43030:機能生物化学関連
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 木村 行宏 神戸大学, 農学研究科, 准教授 (20321755)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 光合成 / 近赤外光 / 光電変換 / 紅色細菌 / uphillエネルギー移動 / カルシウム / 紅色光合成細菌 / 光捕集１反応中心複合体 / キノン

研究開始時の研究の概要

地上に降り注ぐ太陽光の約4割を占める近赤外光は未利用のエネルギー資源である。原始の光合成生物である紅色光合成細菌は、その巧みなエネルギー変換システムにより、近赤外光エネルギーを有用な化学エネルギーへと変換することができる。本研究では、構造や光エネルギー吸収特性の異なる種々の紅色光合成細菌を研究対象とし、分光学的および熱力学的な実験手法を用いて色素、タンパク質、金属イオン間の相互作用を詳細に解析することにより、紅色光合成細菌における近赤外光電変換の分子メカニズムを明らかにする。

研究成果の概要

紅色光合成細菌は、植物やシアノバクテリアが利用しない近赤外光を有用なエネルギーに変換することにより光合成を営んでいるが、その詳細なメカニズムは不明である。本研究では、様々な紅色光合成細菌が有する光捕集１反応中心色素タンパク質複合体（光合成反応を担う心臓部）を物理化学的なアプローチで調査することにより、①なぜエネルギーの低い近赤外光を利用できるのか、②どのように効率的なエネルギー変換を可能にしているのかについて、メカニズムの一端を解明する重要な知見を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

持続可能な社会の構築においてエネルギー資源の問題は最も重要な問題の一つである。近赤外光は地上に降り注ぐ太陽光の約4割を占めるが、そのエネルギーの低さ故に未利用のエネルギー資源となっている。原始の光合成生物である紅色光合成細菌は、この低エネルギーの近赤外光を有用なエネルギーに変換する能力を備えており、そのメカニズムの解明は近赤外応答型人工光合成システム基盤創出の可能性を秘めたおり、エネルギー資源の問題解決に繋がる重要な課題である。

研究成果

• [国際共同研究] Southern Illinois University(米国)
• [国際共同研究] Photosynthesis Research Center(中国)
• [国際共同研究] Southern Illinois Univ(米国)
• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences(中国)
• [国際共同研究] Southern Illinois Univ(米国)
• [国際共同研究] Braunschweig Univ Technol(ドイツ)
• [雑誌論文] Salt- and pH-Dependent Thermal Stability of Photocomplexes from Extremophilic Bacteriochlorophyll b-Containing Halorhodospira Species (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yukihiro、Nakata Kazuna、Nojima Shingo、Takenaka Shinji、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 10 号: 5 ページ: 959-959
  • DOI: 10.3390/microorganisms10050959
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Identification of metal-sensitive structural changes in the Ca²⁺-binding photocomplex from <i>Thermochromatium tepidum</i> by isotope-edited vibrational spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yukihiro、Imanishi Michie、Li Yong、Yura Yuki、Ohno Takashi、Saga Yoshitaka、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 156 号: 10 ページ: 105101-105101
  • DOI: 10.1063/5.0075600
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrostatic charge controls the lowest LH1 Qy transition energy in the triply extremophilic purple phototrophic bacterium, Halorhodospira halochloris (2021)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yukihiro、Nojima Shingo、Nakata Kazuna、Yamashita Takuya、Wang Xiang-Ping、Takenaka Shinji、Akimoto Seiji、Kobayashi Masayuki、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Yu Long-Jiang
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 号: 11 ページ: 148473-148473
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148473
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectral Properties of Chlorophyll <i>f</i> in the B800 Cavity of Light‐harvesting Complex 2 from the Purple Photosynthetic Bacterium <i>Rhodoblastus acidophilus</i> (2021)
  • 著者名/発表者名: Saga Yoshitaka、Tanaka Aiko、Yamashita Madoka、Shinoda Toshiyuki、Tomo Tatsuya、Kimura Yukihiro
  • 雑誌名: Photochemistry and Photobiology 巻: 98 号: 1 ページ: 169-174
  • DOI: 10.1111/php.13491
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Circular dichroism and resonance Raman spectroscopies of bacteriochlorophyll b-containing LH1-RC complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Kimura Y.、Yamashita T.、Seto R.、Imanishi M.、Honda M.、Nakagawa S.、Saga Y.、Takenaka S.、Yu L.-J.、Madigan M. T.、Wang-Otomo Z.-Y.
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 148 号: 1-2 ページ: 77-86
  • DOI: 10.1007/s11120-021-00831-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quinone transport in the closed light-harvesting 1 reaction center complex from the thermophilic purple bacterium Thermochromatium tepidum (2021)
  • 著者名/発表者名: Kishi Rikako、Imanishi Michie、Kobayashi Masayuki、Takenaka Shinji、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Kimura Yukihiro
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 号: 1 ページ: 148307-148307
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148307
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lycopene-Family Carotenoids Confer Thermostability on Photocomplexes from a New Thermophilic Purple Bacterium (2020)
  • 著者名/発表者名: Seto Ryuta、Takaichi Shinichi、Kurihara Toshiyuki、Kishi Rikako、Honda Mai、Takenaka Shinji、Tsukatani Yusuke、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Kimura Yukihiro
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 号: 25 ページ: 2351-2358
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00192
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A dual role for Ca2+ in expanding the spectral diversity and stability of LH1-RC photocomplexes of purple phototrophic bacteria (2019)
  • 著者名/発表者名: Imanishi, M., Takenouchi, M., Takaichi, S., Nakagawa, S., Saga, Y., Takenaka, S., Madigan, M.T., vermann, J., Wang-Otomo, Z.-Y., and Kimura Y.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 58 号: 25 ページ: 2844-2852
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.9b00351
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 紅色光合成細菌のキノン輸送におけるリン脂質の寄与 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中元陽介, 岸利華子, 竹中慎治, 大友征宇, 木村行宏
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] 3つの好極限性を有する紅色光合成細菌Halorhodospira halochlorisの特性解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中田和菜, 能島紳吾, 山下琢也, 秋本誠志, 小林正幸, 竹中慎治, Madigan, M.T, 大友征宇, 木村行宏
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] 紅色細菌の光捕集複合体の多様性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大友征宇，木村行宏
  • 学会等名: 日本植物生理学会 第6回光合成細菌ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Spectroscopic characterization of a bacteriochlorophyll b-based LH1-RC complexes from thermophilic purple bacterium Blastochloris tepida (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura, Y., Seto, R., Kishi, R., Imanishi, M., Takaichi, S., Takenaka, S., Madigan, M.T., and Wang-Otomo, Z.-Y.
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] A dual role for calcium in expanding the spectral diversity and stability of LH1-RC photocomplexes of purple phototrophic bacteria (2019)
  • 著者名/発表者名: Imanishi, M., Takenouchi, M., Takaichi, S., Nakagawa, S., Saga, Y., Takenaka, S., Madigan, M.T., Overmann, J., Wang-Otomo, Z.-Y., and Kimura, Y.
  • 学会等名: The 57th Annual Meeting of the BSJ
• [学会発表] バクテリオクロロフィルbを有する好熱性紅色細菌Blastochloris tepidaの耐熱性獲得機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸隆太、川上知朗、岸利華子、今西三千絵、高市真一、竹中慎治、M.T. Madigan、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 日本農芸化学会 関西・中部支部2019合同神戸大会
• [学会発表] 紅色光合成細菌由来光捕集１反応中心複合体のスペクトル多様性と構造安定性におけるカルシウムイオンの役割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 今西三千絵、竹之内瑞貴、高市真一、中川支央里、佐賀佳央、竹中慎治、M.T. Madigan、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 第27回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] 新規好熱性紅色細菌Blastochloris tepida由来LH1-RCの耐熱化機構と低エネルギー吸収特性の要因 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸隆太、川上知朗、岸利華子、今西三千絵、高市真一、竹中慎治、M.T. Madigan、大友征宇、木村行宏
  • 学会等名: 第27回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [備考] 神戸大学大学院農学研究科微生物資源化学研究室ホームページ
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/ans-bpc/
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0140338
• [備考] ResearchGate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Yukihiro-Kimura-2
• [備考]
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/ans-bpc/
• [備考]
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/ans-bpc/