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水分解反応を形成する高電位形成の解明とエネルギー創生

公募研究

研究領域光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
研究課題/領域番号 18H05177
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
研究機関東京理科大学

研究代表者

鞆 達也  東京理科大学, 理学部第一部教養学科, 教授 (60300886)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2019年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2018年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
キーワードクロロフィル / エネルギー移動 / シアノバクテリア / 光化学系 / 電子伝達 / 光合成 / 光化学系II / 光化学系I / 人工光合成 / 初期電子供与体 / 初期電子受容体 / 酸素発生 / 高電位形成 / エネルギー準位
研究実績の概要

酸素発生型光合成は光エネルギーを動力源として、水を分解し還元力を生成する。光エネルギーによって初期電子供与体であるクロロフィルから電荷分離を生じ、飛びだした電子の生体内での最終受容体はNADP+である。この時、プロトンを受容体にすれば再生可能エネルギーとして注目されている分子上水素が得られる。水を分解するためには、初期電子供与体が水より高電位を形成すること、そのために光エネルギーの効率的な濃縮が必要なこと、電荷分離後の電子移動に関しての知見を積み上げることが必要となる。我々は光励起によって分離した電子の伝達に酸化グラフェンが人工的な電子伝達成分として利用できることを本研究により見出した。グラフェンはシリコンよりも高い伝導性をもつことから、この系の応用が期待される。また、既知のクロロフィルaよりも吸収極大を低エネルギー側にもつ新規クロロフィルであるクロロフィルdやクロロフィルfが存在している。これらのクロロフィルは可視域に吸収極大をもつクロロフィルよりも低いエネルギーを使えることから、光合成に用いることが可能な光エネルギーの幅が広がることになり、よりエネルギー変換の効率が上がることが期待される。そのためには、光化学系タンパク質の構造を知る必要があるが、我々はクロロフィルfを結合した光化学系Iの構造を高分解能で明らかにし、それぞれのクロロフィルの位置を決定した。これは光エネルギーの濃縮機構解明に重要な知見を与えたことになり、高電位形成を行う初期電子供与体への光エネルギー移動の経路を知ることにつながる。また、シアノバクテリアの生物種の検討により高効率で水素発生を行う生物種の選抜を行った。これらを組み合わせることにより、より波長幅の広い光エネルギー、高電位形成の初期電子供与体から電荷分離し、その電子から水素を発生させることにつながっていくと期待できる。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 7件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Structure basis for the adaptation and function of chlorophyll f in photosystem I.2020

    • 著者名/発表者名
      Kato K., Shinoda T., Nagao R., Akimoto S., Suzuki T., Dohmae N., Chen M., Allakhverdiev SI., Shen J.-R., Akita F., Miyazaki N., Tomo T.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 号: 1 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1038/s41467-019-13898-5

    • NAID

      120006826004

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Determination of the potential of cyanobacterial strains for hydrogen production2020

    • 著者名/発表者名
      Bekzhan D. Kossalbayev, Tatsuya Tomo, Bolatkhan K.Zayadan, Asemgul K.Sadvakasova, Kenzhegul Bolatkhan, Saleh Alwasel, Suleyman I. Allakhverdiev
    • 雑誌名

      International Journal of Hydrogen Energy

      巻: 45 号: 4 ページ: 2627-2639

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2019.11.164

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 2D optical imaging using photosystem I photosensor platform with 32x32 CMOS biosensor array2019

    • 著者名/発表者名
      Kiichi Niitsu, Taichi Sakabe, Mariko Miyachi, Yoshinori Yamanoi, Hiroshi Nishihara, Tatsuya Tomo, Kazuo Nakazato
    • 雑誌名

      Proceedings of the 24th Asia and South Pacific Design Automation Conference

      巻: 1 ページ: 7-8

    • DOI

      10.1145/3287624.3287751

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unsupervised classification of PSII with and without water-oxidizing complex samples by PARAFAC resolution of excitation-emission fluorescence images2019

    • 著者名/発表者名
      Somayyeh Akbarian, Mohsen Kompany-Zareh, Mohammad Mahdi Najafpour, Tatsuya Tomo, Suleyman I.Allakhverdievf
    • 雑誌名

      Journal of Photochmistry and Photobiology B

      巻: 195 ページ: 58-66

    • DOI

      10.1016/j.jphotobiol.2019.03.008

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Photosensing system using photosystem I and gold nanoparticle on graphene field-effect transistor2019

    • 著者名/発表者名
      Nishiori, D.; Zhu, W.; Salles, R.; Miyachi, M.;* Yamanoi, Y.;* Ikuta, T.; Maehashi, K.; Tomo, T.; Nishihara, H.*
    • 雑誌名

      ACS Appl. Mater. Inter.

      巻: 11 号: 45 ページ: 42773-42779

    • DOI

      10.1021/acsami.9b14771

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Photosynthesis supported by a chlorophyll f-dependent, entropydriven uphill energy transfer in Halomicronema hongdechloris cells adapted to far-red light2019

    • 著者名/発表者名
      Franz;Josef Schmitt,;leyha Yenice Campbell, Mai Vi Bui, Anne, Tatsuya Tomo, Min Chen, Eugene G. Maksimov, Suleyman I. Allakhverdiev, Thomas Friedrich
    • 雑誌名

      PHOTOSYNTHESIS RESEARCH

      巻: 139 号: 1-3 ページ: 185-291

    • DOI

      10.1007/s11120-018-0556-2

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hydrogen production from phototrophic microorganisms: Reality and perspectives2019

    • 著者名/発表者名
      Bolatkhan Kenzhegul、Kossalbayev Bekzhan D.、Zayadan Bolatkhan K.、Tomo Tatsuya、Veziroglu T. Nejat、Allakhverdiev Suleyman I.
    • 雑誌名

      International Journal of Hydrogen Energy

      巻: 44 号: 12 ページ: 5799-5811

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2019.01.092

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Links between peptides and Mn oxide: nano-sized manganese oxide embedded in a peptide matrix2018

    • 著者名/発表者名
      Najafpour Mohammad Mahdi、Madadkhani Sepideh、Akbarian Somayyeh、Zand Zahra、Ho?y?ska Ma?gorzata、Kompany-Zareh Mohsen、Tatsuya Tomo、Singh Jitendra Pal、Chae Keun Hwa、Allakhverdiev Suleyman I.
    • 雑誌名

      New Journal of Chemistry

      巻: 42 号: 12 ページ: 10067-10077

    • DOI

      10.1039/c8nj02119h

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Lysyl oxidase-like protein secreted from an acidophilic red alga, Cyanidium caldarium2018

    • 著者名/発表者名
      Tomo Tatsuya、Okumura Akinori、Suzuki Takehiro、Okuhara Mirai、Katayama Ruriko、Isayama Noboru、Nagao Ryo、Iwai Masako、Dohmae Naoshi、Enami Isao
    • 雑誌名

      Plant Direct

      巻: 2 号: 10

    • DOI

      10.1002/pld3.84

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Reduced Graphene Oxide as an Electron Mediator in Natural Z-Scheme Photosynthesis2020

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Sone, Mariko Miyachi, Shota Tanaka, Hisataka Ohta, Yoshinori Yamanoi, Akihide Iwase, Akihiko Kudo, Hiroshi Nishihara, Tatsuya Tomo
    • 学会等名
      3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] クロロフィル f をもつ光化学系I 複合体の構造および分光的特性について2020

    • 著者名/発表者名
      篠田稔行,加藤公児,長尾遼,秋本誠志,沈建仁,秋田総理,宮崎直幸,鞆達也
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 新規クロロフィルを用いた光合成2019

    • 著者名/発表者名
      鞆 達也
    • 学会等名
      藍藻の分子生物学2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Chlorophyll d and f; Function-Localization Relationship2019

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Tomo
    • 学会等名
      3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrogen production using photosystem and graphene oxide2019

    • 著者名/発表者名
      曽根 俊介, 宮地 麻理子, 田中 奨太, 太田 尚孝, 山野井 慶徳, 岩瀬 顕秀, 工藤 昭彦, 西原 寛 , 鞆 達也
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Perspectives of cyanobacterial strains for biodisiel and biohydrogen production2019

    • 著者名/発表者名
      Bolatkhan Zayadan, Dmitry Los, Tatsuya Tomo, Bekzhan Kossalbayev, Aizhan Usserbayeva, Kenzhegul Bolatkhan, Suleyman Allakhverdiev
    • 学会等名
      10th International Conference Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 光化学系Iおよび金ナノ粒子で修飾したグラフェンFETの光応答2019

    • 著者名/発表者名
      宮地 麻里子・西織 大輝・朱 文超・Salles Raphal・山野井 慶徳・生田 昂・前橋 兼三・鞆 達也・西原
    • 学会等名
      日本化学会 第99春季年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] クロロフィルd 型光化学系IIにおける初期電子受容体フェオフィチンa の分光特性2019

    • 著者名/発表者名
      豊福玲於奈, 鞆達也
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] クロロフィル f 蓄積過程の光化学系I複合体におけるエネルギー移動経路の確立2019

    • 著者名/発表者名
      篠田稔行,新井啓史,秋本誠志,鞆達也
    • 学会等名
      第60回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] クロロフィル f 蓄積過程のシアノバクテリアにおけるエネルギー移動経路の確立2019

    • 著者名/発表者名
      篠田稔行,新井啓史,田伏廣輝,秋本誠志,鞆達也
    • 学会等名
      第60回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] アンテナ機能を持ったカロテノイドの励起緩和ダイナミクス2019

    • 著者名/発表者名
      加賀谷航平,長尾遼,沈建仁,豊福玲於奈,鞆達也,秋本誠志
    • 学会等名
      第60回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 光合成電子伝達系と酸化グラフェン間の移動反応2019

    • 著者名/発表者名
      曽根俊介、田中奨大、岩瀬 顕秀、工藤 昭彦、鞆達也
    • 学会等名
      第8回日本生物物理学会関東支部会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] クロロフィル f の蓄積過程におけるエネルギー移動経路の解析2019

    • 著者名/発表者名
      篠田稔行、鞆達也、秋本誠志
    • 学会等名
      新学術領域研究「革新的光物質変換」第2回公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Spectroscopic assignments of Photosystem II complex in a chlorophyll d-dominated cyanobacterium2018

    • 著者名/発表者名
      Reona Toyofuku, Seiji Akimoto, Toshiyuki Shinoda, Tatsuya Tomo
    • 学会等名
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 光化学系I および白金ナノ粒子で構成される積層ナノシートの作製と物性評価2018

    • 著者名/発表者名
      宮地麻里子,Raphal Salles,朱文超,山野井慶徳,鞆達也,西原寛
    • 学会等名
      第9回分子アーキテクトニクス研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Absorption and fluorescence properties of Photosystem II complex in a chlorophyll d-dominated cyanobacterium2018

    • 著者名/発表者名
      豊福 玲於奈, 秋本 誠志, 篠田 稔之, 鞆 達也
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 光化学系IIの初期電子受容体フェオフィチンaの分光学的性質2018

    • 著者名/発表者名
      豊福玲於、 篠田稔行、 鞆達也
    • 学会等名
      第20回日本光生物学協会年会のエネルギー移動とタンパク質組成の変化
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Chlorophyll f 蓄積過程における光化学系I複合体2018

    • 著者名/発表者名
      篠田稔行、 新井啓史、 田伏廣輝、 横野牧生、 秋本誠志、 鞆達也
    • 学会等名
      第20回日本光生物学協会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-01-27  

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