| 研究課題/領域番号 |
20K06684
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分44030:植物分子および生理科学関連
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
伊藤 繁 名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (40108634)
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| 研究分担者 |
木村 明洋 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (20345846)
井原 邦夫 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 准教授 (90223297)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 光合成 / クロロフィル / 励起エネルギー移動 / 励起子理論モデル / 遠赤外光合成 / 蛍光寿命 / 光合成細菌 / シアノバクテリア / 近赤外光 / 光化学系Ⅰ反応中心 / 光エネルギー利用 / 励起エネルギー移動理論 / 進化 / 理論モデル / 環境適応 / タンパク質構造決定 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
近年発見された、 Chl a(クロロフィルa)より長波長に吸収帯をもつ① Chl d, ②Chl f, ③会合型Chl a (red-Chl a)色素（図１）のいずれかにより、700-800nmの近赤外光だけでも光合成可能なシアノバクテリア、藻類、コケの「近赤外光を使う酸素発生型光合成（FR-O２型光合成）」の光反応機構を検討する。生化学、生物物理的解析、ピコ秒レーザ分光実験などを行い、励起子理論モデルを用いて理論解析する。さらに広範な「FR-O２型光合成系」を調べ、従来の可視光型光合成との違い、多様性、変動範囲、限界を確認し、その「秘められた能力」を理解して応用を考える。
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| 研究実績の概要 |
植物とシアノバクテリアの営む酸素発生型光合成は、クロロフィルa (Chl a)色素の吸収する400-700nmの可視光を使うが、光合成細菌の非酸素発生型光合成ではバクテリオクロロフィル（BChl）が吸収する380-900nmの可視-近赤外(FR)光を使う。可視光よりエネルギーの低い700-800nmの近赤外光でも酸素発生光合成（FR－O2型光合成）が行われる事を我々は報告した (‘98年)。近年、さらに多くの「FR－O2型光合成」をするシアノバクテリアや藻類が 見出され、研究が進展した。
本研究では、Chl aの代わりに、740nm光を利用できるChl dで「FR－O2型光合成」をするシアノバクテリア種アカリオクロリスの光化学系I (PSI)の構造を、解明し論文発表した(2021)。
この反応中心は’98年に我々が初精製し、反応中心Chl d-2量体をP740と命名した。構造情報を使い、理論解析をした。別種のChl fを使いFR－O2型光合成をする反応中心でも理論検討を進めた。Chlf型10種 、Chl d型アカリオ属7株、red-Chl a型南極コケ１種の光反応を実測した。
シアノバクテリアPSI (96Chl aをもつ)と似た構造でBChl-gをもつヘリオバクテリアのI型反応中心の理論解析を行った。超高速励起エネルギー移動過程を計算機内で再現した。クロロフィルを置き換える仮想実験系を作り、in silicoでの進化実験を行った。これは人工光合成系開発にも利用できる。
さらにBChla30と4Chlaを持ち長波長800-840nm光を利用する緑色硫黄細菌の反応中心（GsbRCお）の理論モデルを作成した。この系はFR型反応中心の祖先型に近い。励起エネルギー移動、エネルギー分布変化をしらべた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、Chl aの代わりに、740nm光を利用できるChl dで「FR－O2型光合成」をするシアノバクテリア種アカリオクロリスの光化学系I (PSI)の構造を、解明し論文発表した。シアノバクテリアPSI (96Chl aをもつ)と似た構造でBChl-gをもつヘリオバクテリアのI型反応中心の理論解析を行った。超高速励起エネルギー移動過程を計算機内で再現した。クロロフィルを置き換える仮想実験系を作り、in silicoでの進化実験を行った。これは人工光合成系開発にも利用できる。緑色硫黄細菌の反応中心（GsbRCお）の理論モデルを作成した、これは当初の計画以上の成果となるであろう。
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| 今後の研究の推進方策 |
さらに、理論家との共同研究を精力的に進め、Chl dを持つアカリオクロリスのPSI、ChlfをChl aに合わせてもつシアノバクテリアPSI, 反応中心以外のChl a会合体を結合してFR光を吸収するPSI、BChlaをもつ緑色硫黄細菌反応中心を対象に理論研究を進める。クロロフィル分子の相互配置・相互作用により生じる励起子状態群のシミュレーション計算と、個別クロロフィルの結合部位毎にタンパク質環境が作り出す部位エネルギー（site energy）値の理論計算をPSI及び、2018年に構造解明されたヘリオバクテリアのI型反応中心（BChl gをもつ）で進めつつある。これを発展させ、光合成反応中心上で,色素の種類、配置を変える際の光捕集やエネルギー移動への影響をin silicoモデル上で理論評価する。生物現象の中でも、物理過程・原理から研究しやすい光合成系は、進化や適応の検討に適したモデルであり、新しい実験理論展開を進めたい。
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