光合成における光収穫アンテナの構造と励起エネルギー伝達・移動機構の解明

2020 年度 実績報告書

• 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: 17H06436
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 民秋 均 立命館大学, 生命科学部, 教授 (00192641)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 生物物理 / 超分子化学 / ナノ材料 / 光物性 / バイオナノテクノロジー

研究実績の概要

1)緑色細菌由来のクロロゾームの超分子構造・機能解明：嫌気性緑色光合成細菌の膜外ペリフェラルアンテナ部であるクロロゾームは、構成クロロフィル分子の自己会合によって超分子構造体を形成しているが、結晶構造解析ができないために、現在でもまだその超分子構造は未解明なところが多い。そこで、分子生物学的手法による変異体の作成と構成クロロフィルの(半)合成モデル分子を利用した人工系を構築し、そこから得られる分光学的や顕微鏡測定情報から超分子構造の解明を目指した。また、そのような系を利用することで、光収穫・励起エネルギー伝達機能についても明らかにすることも試みた。このようなクロロフィル分子はJ型で自己会合することで、直径5から10nmのチューブ状で長さが数百nmから数μmの構造体を形成することを明らかにしていたが、ケージドクロロフィルを用いたサイズを制御したJ型自己会合体を作成して、そのサイズと機能との相関を、分子間力および透過電子顕微分光法によって解明した。
2)光合成細菌の反応中心とアンテナの複合体の調製：PS２型反応中心を有する紅色や緑色非硫黄光合成細菌の野生型や変異体を培養し、その反応中心を単離・精製した。このような反応中心と天然アンテナとの複合体の形成を試みた。
3)人工光合成系の創製：自己集積能を有するクロロフィル誘導体を新たに合成し、そのクロロゾーム型自己会合体を調製することで、光吸収・励起エネルギー伝達型巨大集積体を作り出すことに成功した。そのような系にエネルギー受容体を連結することで、励起エネルギーを外部に取り出すことが可能な人工光合成アンテナモデルの創製を試みた。この際に、各コンポーネントの最低励起エネルギー準位を調整することで、可視から近赤外領域の光を効率的に利用できるように検討を行った。

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

当初予定していた「緑色細菌由来のクロロゾームの超分子構造・機能解明」ならびに「人工光合成アンテナ系の創製」に関する研究は、予定通り進行し、学会発表や論文公表が行えた。

今後の研究の推進方策

これまでの研究をさらに進めつつ、人工光合成アンテナ系に多電子移動系を連結することで、「人工光合成系の創製」も行っていく予定である。

研究成果

• [国際共同研究] 吉林大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 吉林大学
• [雑誌論文] Over-expression of the C82-methyltransferase BchQ in mutant strains of the green sulfur bacterium Chlorobaculum limnaeum for synthesis of C8-hyper-alkylated chlorosomal pigments (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada Jiro、Mizoguchi Tadashi、Kinoshita Yusuke、Yamamoto Ken、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 404 ページ: 112882～112882
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112882
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-aggregation of zinc bacteriochlorophyll-d analog bearing B-ring reduced chlorin and 17-acrylate residue (2021)
  • 著者名/発表者名: Funakoshi Daichi、Matsubara Shogo、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron 巻: 81 ページ: 131853～131853
  • DOI: 10.1016/j.tet.2020.131853
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chlorophyll-Based Organic Heterojunction on Ti3C2Tx MXene Nanosheets for Efficient Hydrogen Production (2021)
  • 著者名/発表者名: Li Yuanlin、Sun Yuliang、Zheng Tianfang、Dall'Agnese Yohan、Dall'Agnese Chunxiang、Meng Xing、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 27 ページ: 5277～5282
  • DOI: 10.1002/chem.202005421
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chlorophyll Derivative-Sensitized TiO2 Electron Transport Layer for Record Efficiency of Cs2AgBiBr6 Double Perovskite Solar Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Baoning、Li Na、Yang Lin、Dall'Agnese Chunxiang、Jena Ajay Kumar、Sasaki Shin-ichi、Miyasaka Tsutomu、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 143 ページ: 2207～2211
  • DOI: 10.1021/jacs.0c12786
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of 18-formylated B-ring reduced chlorophyll derivative as a heme A analog and effect of the 18-substituent on optical properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Funakoshi Daichi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron Letters 巻: 68 ページ: 152921～152921
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2021.152921
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of 132-carboxy-chlorin produced by the in vitro BciC enzymatic hydrolysis of zinc chlorophyllide (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirose Mitsuaki、Harada Jiro、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 巻: 40 ページ: 127931～127931
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2021.127931
  • 査読あり
• [雑誌論文] BciC-Catalyzed C132-Demethoxycarbonylation of Metal Pheophorbide a Alkyl Esters (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirose Mitsuaki、Teramura Misato、Harada Jiro、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 21 ページ: 1473～1480
  • DOI: 10.1002/cbic.201900745
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sterically controlled and pH-dependent self-aggregation of synthetic zinc 3-(alkylamino)methylated chlorophyll-a derivatives in aqueous micellar solution (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Hiroaki、Nakamura Soichi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 巻: 24 ページ: 685～692
  • DOI: 10.1142/S108842461950127X
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and Self-Aggregation of Chlorophyll-a Derivatives with Ethynylene and Phenylene Groups Inserted Between the Hydroxymethyl Group and the Chlorin π-Skeleton (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakano Takeo、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: ChemPhotoChem 巻: 4 ページ: 338～346
  • DOI: 10.1002/cptc.202000012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chlorosome-Like Molecular Aggregation of Chlorophyll Derivative on Ti3C2Tx MXene Nanosheets for Efficient Noble Metal-Free Photocatalytic Hydrogen Evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Li Yuanlin、Chen Xin、Sun Yuliang、Meng Xing、Dall'Agnese Yohan、Chen Gang、Dall'Agnese Chunxiang、Ren Hangchen、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Advanced Materials Interfaces 巻: 7 ページ: 1902080～1902080
  • DOI: 10.1002/admi.201902080
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Synthetic Chlorophyll Dimer Appending Fullerene: Effect of Chlorophyll Pairing on (Photo)redox Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki Yoshinao、Uragami Chiasa、Hashimoto Hideki、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 26 ページ: 8897～8906
  • DOI: 10.1002/chem.202000614
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-Aggregation abilities of synthetic bacteriochlorophyll-d analogs bearing a propargyl- or benzyl-type alcohol (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakano Takeo、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 397 ページ: 112556～112556
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112556
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stereoselective self-aggregation of zinc bacteriochlorophyll-d analogs possessing an O-substituted oxime moiety at the 13-position (2020)
  • 著者名/発表者名: Katayama Airi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 400 ページ: 112554～112554
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112554
  • 査読あり
• [雑誌論文] Semisynthetic Chlorophyll Derivatives Toward Solar Energy Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Duan Shengnan、Zhou Qiang、Li Aijun、Wang Xiao-Feng、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Solar RRL 巻: 4 ページ: 2000162～2000162
  • DOI: 10.1002/solr.202000162
  • 査読あり
• [雑誌論文] A chlorophyll derivative-based bio-solar energy conversion and storage device (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhang Chao、Zhao Wenjie、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 巻: 347 ページ: 136283～136283
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136283
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of additional hydroxy group on self-aggregation of synthetic zinc bacteriochlorophyll-c analogs (2020)
  • 著者名/発表者名: Kishi Masashi、Nakamura Yugo、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 400 ページ: 112592～112592
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112592
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoactive Zn-Chlorophyll Hole Transporter-Sensitized Lead-Free Cs2AgBiBr6 Perovskite Solar Cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Baoning、Yang Lin、Dall'Agnese Chunxiang、Jena Ajay Kumar、Sasaki Shin-ichi、Miyasaka Tsutomu、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Solar RRL 巻: 4 ページ: 2000166～2000166
  • DOI: 10.1002/solr.202000166
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of zinc 13-oxime-functionalized chlorophyll-a derivatives and their (131E/Z)-dependent self-aggregation (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeda Toyoho、Katayama Airi、Kinoshita Yusuke、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron 巻: 76 ページ: 131300～131300
  • DOI: 10.1016/j.tet.2020.131300
  • 査読あり
• [雑誌論文] Amphiphilic zinc chlorin as an effective gelator in methanol-water mixtures (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyatake Tomohiro、Okada Kazuki、Yamamoto Yusuke、Hirai Ryoji、Inoue Ryo、Imai Takahito、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 400 ページ: 112683～112683
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112683
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth model of chlorosome antenna by the environment-dependent stepwise assembly of a zinc chlorophyll derivative (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsubara Shogo、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 145 ページ: 129～134
  • DOI: 10.1007/s11120-020-00766-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facile 132-methylation of chlorophyll-a derivative and (132R/S)-stereoselective self-aggregation of zinc bacteriochlorophyll-d analogs (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara Yoshiki、Takeda Toyoho、Ogasawara Shin、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron Letters 巻: 61 ページ: 152167～152167
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2020.152167
  • 査読あり
• [雑誌論文] In vitro C132-dealkoxycarbonylations of zinc chlorophyll a derivatives including C132-substitutes by a BciC enzyme (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirose Mitsuaki、Teramura Misato、Harada Jiro、Ogasawara Shin、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Bioorganic Chemistry 巻: 102 ページ: 104111～104111
  • DOI: 10.1016/j.bioorg.2020.104111
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Fluorinated Chlorophylls-a and Their Bio/Physico-Chemical Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Ogasawara Shin、Nakano Kohei、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: European Journal of Organic Chemistry 巻: 2020 ページ: 5537～5543
  • DOI: 10.1002/ejoc.202000887
  • 査読あり
• [雑誌論文] Supramolecular chlorophyll aggregates inspired from specific light-harvesting antenna "chlorosome": Static nanostructure, dynamic construction process, and versatile application (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsubara Shogo、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 巻: 45 ページ: 100385～100385
  • DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2020.100385
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zinc 7,8-Dihydroxylated Chlorophyll-a Derivative as a Synthetic Model of Natural Bacteriochlorophyll-a (2020)
  • 著者名/発表者名: Funakoshi Daichi、Nomura Yosaku、Shoji Sunao、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 ページ: 1403～1405
  • DOI: 10.1246/cl.200585
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermo-Plasmonic Trapping of Living Cyanobacteria on a Gold Nanopyramidal Dimer Array: Implications for Plasmonic Biochips (2020)
  • 著者名/発表者名: Naka Shota、Shoji Tatsuya、Fujii Sho、Ueno Kosei、Wakisaka Yumi、Murakoshi Kei、Mizoguchi Tadashi、Tamiaki Hitoshi、Tsuboi Yasuyuki
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 3 ページ: 10067～10072
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02071
  • 査読あり
• [雑誌論文] Site-selective C20-fluorinations of chlorophyll-a derivatives using N-fluorobenzenesulfonimide and their optical properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Ogasawara Shin、Nakano Kohei、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron 巻: 76 ページ: 131722～131722
  • DOI: 10.1016/j.tet.2020.131722
  • 査読あり
• [雑誌論文] In situ formation of photoactive B-ring reduced chlorophyll isomer in photosynthetic protein LH2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Saga Yoshitaka、Otsuka Yuji、Funakoshi Daichi、Masaoka Yuto、Kihara Yu、Hidaka Tsubasa、Hatano Hiroka、Asakawa Hitoshi、Nagasawa Yutaka、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 19383～19383
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76540-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesis of C3/C13‐Substituted Semi-Synthetic Bacteriochlorophyll-a Derivatives and Their Properties as Functional Dyes (2020)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Shin-ichi、Hashimoto Yuki、Kinoshita Yusuke、Tamiaki Hitoshi、Duan Shengnan、Wang Xiao-Feng、Saga Yoshitaka、Yamamoto Hiroaki、Ikeuchi Toshitaka、Shishioh Nobue
  • 雑誌名: ChemPhotoChem 巻: 4 ページ: 5399～5407
  • DOI: 10.1002/cptc.202000169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In Vitro Hydrolysis of Zinc Chlorophyllide a Homologues by a BciC Enzyme (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirose Mitsuaki、Harada Jiro、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 ページ: 4622～4626
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00850
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of N-methylated unsymmetric porphyrinoids with restricted N-centered chirality from chlorophyll-a (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawamoto Yuki、Nagano Yasunobu、Kitagawa Yuichi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Organic & Biomolecular Chemistry 巻: 18 ページ: 9800～9804
  • DOI: 10.1039/D0OB02146F
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge-Transfer Mechanism in Chlorophyll Derivative-based Biosolar Cells with Hole-Transporting P3HT Revealed by Sub-Picosecond Transient Absorption Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Duan Shengnan、Wang Li、Zhao Wenjie、Du Jianbo、Pan Lingyun、Tamai Naoto、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 27900～27906
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c08605
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 緑色硫黄細菌のクロロゾーム色素のゲル化とその構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原田二朗、木下雄介、橋新 剛、溝口 正、山本 健、民秋 均
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シアノアクリル酸を有するクロロフィルを光増感剤として吸着させたハイブリッド型半導体光触媒を用いた可視光水素発生 (2021)
  • 著者名/発表者名: 橋本雄基、鈴木 肇、阿部 竜、民秋 均
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] NADH機能を有するルテニウム錯体の合成と還元反応 (2021)
  • 著者名/発表者名: 民秋 均、出呂町 渚、木下雄介、田中晃二
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] ゲル化材料となる天然クロロフィルの簡易的調製法の検討とゲル構造の観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 原田二朗、木下雄介、橋新 剛、溝口 正、山本 健、民秋 均
  • 学会等名: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] シアノ基を有するクロロフィル型光増感剤を修飾した水素発生半導体光触媒の活性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 橋本雄基、鈴木 肇、阿部 竜、民秋 均
  • 学会等名: 2020年web光化学討論会
• [学会発表] 二次葉緑体獲得を可能にした真核微生物のクロロフィル無毒化代謝 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柏山祐一郎、川原 純、丸山 萌、洲崎敏信、松本光史、寺内一星、田中 剛、吉野知子、中澤昌美、木下雄介、民秋 均
  • 学会等名: 日本植物学会第84回大会
• [図書] 生体分子反応を制御する (2020)
  • 著者名/発表者名: 日本化学会
  • 総ページ数: 212
  • 出版者: 化学同人
  • ISBN: 9784759813968
• [備考] 立命館大学生命科学部応用化学科生物有機化学研究室
  • URL: http://www.ritsumei.ac.jp/se/rc/staff/tamiaki/lab.html