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超高速1分子スペクトル分光法で探る生体光反応の機能的ロバスト性

研究課題

研究課題/領域番号 23K23298
補助金の研究課題番号 22H02030 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分32010:基礎物理化学関連
研究機関東京工業大学

研究代表者

近藤 徹  東京工業大学, 生命理工学院, 講師 (30452204)

研究分担者 浅井 智広  中央大学, 理工学部, 准教授 (70706564)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2023年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
キーワード1分子分光 / 超高速スペクトル分光 / 光合成光反応 / タンパク質ダイナミクス / 生体光反応のロバスト性 / 顕微分光 / 過渡吸収分光 / 光合成光捕集系 / 機能的ロバスト性
研究開始時の研究の概要

タンパク質構造の解析手法が確立され、構造を基にした機能解析が可能となった。一方で、生体内の生理環境は刻一刻と変化しており、構造は常に変動している。このようなタンパク質の動態性を解析するため、1分子分光法が発展した。最近、光合成タンパク質1粒子の分光解析から、光反応過程も動的に変動していることが分かってきた。しかし、実際の生体内ではタンパク質が単体で機能するのではなく、複数が連結した超複合体という機能ユニットを形成し光反応を制御している。そこで本研究では、単体では不安定なタンパク質でも、超複合体のように組織化することで、機能的な安定性を獲得できるのか?、という問いの答えを探る。

研究実績の概要

本研究課題では、1分子感度の過渡吸収スペクトル顕微鏡を開発し、緑色硫黄細菌の光合成光捕集に関わるエネルギー移動過程を揺らぎ成分も含めて解析する。昨年度は、高感度吸収顕微鏡の開発およびフェムト秒過渡吸収顕微測定系の構築を行い、緑色硫黄細菌の光捕集アンテナであるクロロソームの1粒子解析に成功した。そこで2年度目となる当該年度ではまず過渡吸収顕微鏡の改良から進めた。遅延光学系の時間走査を高速化し、連続的に過渡吸収信号を得られるようにした。過渡吸収信号を1つ1つフィッティング解析することで、エネルギー移動の時定数の時間的な揺らぎを解析できるようになった。さらに、過渡吸収測定のprobe波長を変えることで、複数の波長で過渡吸収信号を得られるように改良し、時定数成分の同定を行った。これらの装置改良に加え、測定試料も再検討した。緑色硫黄細菌に変異を加え、クロロソームの色素会合体構造を制御した変異体試料を精製した。これにより、1粒子解析で新たに観測された時定数成分をクロロソームの微細構造と対応づけて同定できるようになった。今後は、変異体試料で得られた結果の解析を進め、これまでのアンサンブル測定では難しかったクロロソームの微細構造の不均一性の生理学的な意義について明らかにする。また、緑色硫黄細菌の光反応系において、クロロソームと結合して機能する光捕集アンテナタンパク質FMOと反応中心タンパク質RCの超複合体試料の精製も進めており、これらの1粒子解析も進めて行く予定である。これら各部位ごとの1粒子解析手法が確立できたら、最終的にはクロロソーム・FMO・RCの超複合体におけるエネルギー移動過程を解析し、それらと揺らぎがどのように相関しているのかを明らかにする。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

2年目である当該年度は、高感度吸収顕微鏡の改良および緑色硫黄細菌の光合成光反応系の1粒子解析を計画していた。当初の計画通り、緑色硫黄細菌がもつ光捕集アンテナであるクロロソームの1粒子過渡吸収解析に成功した。さらに、装置改良を行うことで過渡吸収信号の連続測定ができるようになり、フェムト秒時間スケールで生じる超高速光エネルギー移動の時定数の時間的な揺らぎの解析に成功した。吸収検出をベースとした分光解析で、時定数の揺らぎまで解析できた例はこれまでほぼ皆無に等しい。さらに、クロロソームの1粒子解析が予想以上に上手くいったため、微細構造を制御した変異体試料の測定まで行うことができた。まだ解析は不十分だが、野生株と比較して大きな違いが見えており、1粒子解析の強みを存分に活かした光生物研究へと発展できている。このように、本研究計画は当初の計画以上に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

当該年度で高感度吸収顕微測定系を構築することができ、緑色硫黄細菌の光合成光反応系の1粒子解析手法も確立できた。これにより、光捕集アンテナ・クロロソームの1粒子解析が可能となり、野生株と変異体から精製したクロロソームで超高速光エネルギー移動の不均一性の比較ができるようになった。そこで、今後の方針の1つ目として、クロロソームの1粒子解析をさらに進めて行く。次年度は様々な条件で測定を行うと同時に解析を進め、結果を論文としてまとめる。これまでのアンサンブル測定では難しかったクロロソームの微細構造の不均一性の生理学的な意義について明らかにする。今後の方針の2つ目は、吸収スペクトルの過渡変化を測定できる分光光学系を導入することである。広範囲のスペクトル情報が得られるように装置改良することで、より複雑な多段階のエネルギー移動過程まで解析できるようになる。これを用い、緑色硫黄細菌の光反応系においてクロロソームと結合して機能する、光捕集アンテナタンパク質FMOと反応中心タンパク質RCの超複合体試料を精製し、1粒子レベルで解析を行う。さらに、クロロソーム・FMO・RCの超複合体におけるエネルギー移動過程の解析まで発展させる。揺らぎの影響も含め、光合成系の光エネルギー移動過程がどのように高安定かつ高効率化しているのかを明らかにする。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件) 図書 (2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Experimental and Theoretical Mutation of Exciton States on the Smallest Type-I Photosynthetic Reaction Center Complex of a Green Sulfur Bacterium Chlorobaclum tepidum2024

    • 著者名/発表者名
      Kimura Akihiro、Kitoh-Nishioka Hirotaka、Kondo Toru、Oh-oka Hirozo、Itoh Shigeru、Azai Chihiro
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 128 号: 3 ページ: 731-743

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c07424

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Recent advances in single-molecule spectroscopy studies on light-harvesting processes in oxygenic photosynthesis2022

    • 著者名/発表者名
      Kondo Toru、Shibata Yutaka
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 19 号: 0 ページ: n/a

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v19.0013

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌Chlorobaculum tepidumにおける鉄硫黄クラスターFXを欠いた光合成反応中心複合体の作製2024

    • 著者名/発表者名
      稲垣 知実,小島 由江,寺内 一姫,浅井 智広
    • 学会等名
      第65回日本植物生理学会年会 日本植物生理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 構造揺らぎが光合成電荷分離反応にもたらす影響の実測に向けた高感度吸収顕微鏡の開発2023

    • 著者名/発表者名
      新井峻, 近藤徹
    • 学会等名
      第63回生物物理若手の会夏の学校
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] フェムト秒~ミリ秒時間スケールで見る光合成:1分子分光法で探る光捕集機構2023

    • 著者名/発表者名
      近藤徹
    • 学会等名
      第13回日本光合成学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Flexible photosynthetic light harvesting studied by single-molecule spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      近藤徹
    • 学会等名
      18th International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments (SNCPP23)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 光合成光捕集アンテナクロロソームにおけるエネルギー移動過程の単一粒子解析2023

    • 著者名/発表者名
      新井峻, 稲垣知実, 浅井智広, 近藤徹
    • 学会等名
      第78回日本物理学会年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] リング型色素会合体の一粒子分光解析から見る構造と光物性の相関関係2023

    • 著者名/発表者名
      増田真之介, 新井峻, 石井辰磨, 松原翔吾, 近藤徹
    • 学会等名
      第78回日本物理学会年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Photophysical properties of ring-shaped self-aggregates of chlorophyll molecule at one particle level2023

    • 著者名/発表者名
      Shinnosuke Masuda, Shun Arai, Tatsuma Ishii, Shogo Matsubara, Toru Kondo
    • 学会等名
      第61回 生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Relationship between light-harvesting function and microscopic structural heterogeneity in the photosynthetic antenna chlorosome2023

    • 著者名/発表者名
      Shun Arai, Tomomi Inagaki, Jiro Harada, Chihiro Azai, Toru Kondo
    • 学会等名
      第61回 生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Optical properties of one-dimensional chlorophyll self-aggregates at the single-particle level2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kamiie, Shogo MatsubaraI, Toru Kondo
    • 学会等名
      第61回 生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Triplet-excited state of carotenoid in the photosynthetic reaction center complex of green sulfur bacteria2023

    • 著者名/発表者名
      Tomomi Inagaki, Masatoshi Kida, Daisuke Kosumi, Chihiro Azai
    • 学会等名
      第61回 生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌および遠赤色光適応型PSIの光補修機構と励起子モデル2023

    • 著者名/発表者名
      木村 明洋,中村 有花,下岡 渉,鬼頭 宏任,浅井 智広,近藤 徹,大岡 宏造,伊藤 繁
    • 学会等名
      第13回日本光合成学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌の光合成反応中心内部で起こる高速の電荷再結合反応2023

    • 著者名/発表者名
      稲垣 知実,寺内 一姫,浅井 智広
    • 学会等名
      第13回日本光合成学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 顕微分光法を用いた生体光物性研究2022

    • 著者名/発表者名
      近藤徹
    • 学会等名
      第1回量子地球生命科学研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 光合成分子凝集系の光反応における揺らぎの効果2022

    • 著者名/発表者名
      近藤徹
    • 学会等名
      量子生命科学会第4回
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高感度吸収顕微鏡を用いた光合成光捕集アンテナクロロソームの励起エネルギー移動解析2022

    • 著者名/発表者名
      新井峻, 稲垣知実, 浅井智広, 近藤徹
    • 学会等名
      第29回 光合成セミナー2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 岩石中に残された光合成蛍光物質の顕微分光分析2022

    • 著者名/発表者名
      石川朋宏, 齊藤諒介, 近藤徹
    • 学会等名
      第29回 光合成セミナー2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Energy transfer fluctuation in the photosynthetic reaction center2022

    • 著者名/発表者名
      Toru Kondo, Risa Mutoh, Shun Arai, Genji Kurisu, Hirozo Oh-oka, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita
    • 学会等名
      18th International Congress on Photosynthesis Research
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Single-molecule transient absorption spectroscopy of energy transfer in photosynthetic antenna complex2022

    • 著者名/発表者名
      Shun Arai, Tomomi Inagaki, Chihiro Azai, Toru Kondo
    • 学会等名
      第60回 生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Microspectroscopic analysis of photosynthetic pigments in ancient rock samples2022

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa T., Saito R., Kondo T.
    • 学会等名
      第12回 生物物理学会 関東支部会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 単一粒子過渡吸収分光法による光合成光捕集アンテナ複合体の構造不均一性と機能の相関解析2022

    • 著者名/発表者名
      新井峻, 稲垣知実, 浅井智広, 近藤徹
    • 学会等名
      第12回 生物物理学会 関東支部会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] 量子生命科学ハンドブック2024

    • 著者名/発表者名
      瀬藤光利, 荒牧修平 (著, 監修)
    • 総ページ数
      372
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860438821
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] Anoxygenic Phototrophic Bacteria2024

    • 著者名/発表者名
      Shimada, Keizo (EDT)/Takaichi, Shinichi (EDT)
    • 総ページ数
      302
    • 出版者
      Academic Press
    • ISBN
      9780443159824
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 生物物理学会 生物物理のテーマ紹介 「単一分子分光」

    • URL

      https://www.biophys.jp/highschool/D-49.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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