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

2021 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：光合成細菌である緑色硫黄細菌や糸状酸素非発生型光栄養生物やクロラシドバクテリウムには、膜外ペリフェラルアンテナ部であるクロロゾームを有しているが、その中心部では、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が形成されている。しかし、その結晶構造解析ができないために、現在でもその超分子構造は未解明なところが多い。そこで、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行った。特に、20位に電子吸引基を導入した系では、より安定な自己集積体を形成できることが判明し、超分子構造解明にとって有利になることが明らかになった。さらに、31位や132位への置換基の導入にも成功し、サイズや吸収波長を制御しやすいJ型自己会合体の創製にも成功した。
2)光合成細菌の反応中心とアンテナの複合体の調製：光化学系２型の反応中心を有する紅色や緑色非硫黄光合成細菌を培養し、その反応中心を単離・精製した。このような天然反応中心と天然ならびに人工アンテナ系との複合体を巨大リポソームに再構成し、その可視化をおこないつつ、励起エネルギー移動の検出を顕微分光法で行うことに成功した。
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構築した。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も創製した。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。特に、固体電極系で光電変換制御を行うことに成功したことは特筆される。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

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] Synthesis of chlorophyll-a derivative inserting an ethynylene group between the carboxylic acid moiety and chlorin π-skeleton and its photosensitizing efficiency in dye-sensitized solar cell (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakano Takeo、Liu Yanxiang、Wang Xiao-Feng、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 424 ページ: 113633～113633
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2021.113633
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chlorophyll derivatives/MXene hybrids for photocatalytic hydrogen evolution: Dependence of performance on the central coordinating metals (2022)
  • 著者名/発表者名: Li Yuanlin、Zheng Tianfang、Liu Yanxiang、Dall’Agnese Yohan、Dall’Agnese Chunxiang、Liu Cheng-Liang、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 47 ページ: 3824～3833
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.11.026
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Difluoroboron complexes of peripheral β-diketonates in cyclopheophorbides: Their syntheses and optical properties (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Haruki、Demise Ayaka、Kitagawa Yuichi、Shinozaki Yoshinao、Kinoshita Yusuke、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron 巻: 104 ページ: 132596～132596
  • DOI: 10.1016/j.tet.2021.132596
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visible-light-induced hydrogen evolution from water on hybrid photocatalysts consisting of synthetic chlorophyll-a derivatives with a carboxy group in the 20-substituent adsorbed on semiconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Yuki、Suzuki Hajime、Kondo Tomoki、Abe Ryu、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 426 ページ: 113750～113750
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2021.113750
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chlorophyll derivative sensitized monolayer Ti3C2Tx MXene nanosheets for photocatalytic hydrogen evolution (2022)
  • 著者名/発表者名: Li Yuanlin、Liu Yanxiang、Zheng Tianfang、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 427 ページ: 113792～113792
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2022.113792
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Incomplete Hydrogenation by Geranylgeranyl Reductase from a Proteobacterial Phototroph Halorhodospira halochloris, Resulting in the Production of Bacteriochlorophyll with a Tetrahydrogeranylgeranyl Tail (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsukatani Yusuke、Harada Jiro、Kurosawa Kanako、Tanaka Keiko、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Bacteriology 巻: 204 ページ: e-00605-21
  • DOI: 10.1128/jb.00605-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quasi-Bilayer All-Small-Molecule Solar Cells Based on a Chlorophyll Derivative and Non-Fullerene Materials with Untraditional Energy Alignments (2022)
  • 著者名/発表者名: Duan Shengnan、Song Jiaxing、Zhou Erjun、Yang Ke、Lu Shirong、Li Dengfeng、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 126 ページ: 4807～4814
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c00188
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Improved Li storage capacity of 2D MoS2 upon chlorophyll derivative composition (2022)
  • 著者名/発表者名: Qi Xin、Xu Wen-Xin、Zhang Chao、Miao Yong-Qiang、Xu Yu-Ting、He Song-Ying、Zhang Dong、Li Liang、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Materials Today Communications 巻: 31 ページ: 103465～103465
  • DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103465
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chlorophyll derivative intercalation into Nb2C MXene for lithium-ion energy storage (2022)
  • 著者名/発表者名: Qi Xin、Xu WenXin、Tang JiaLi、Xu YuTing、Gao Yu、Li Liang、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang XiaoFeng
  • 雑誌名: Journal of Materials Science 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1007/s10853-022-06929-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Substituted Methylenation at the 132sition of a Chlorophyll‐a Derivative via Mixed Aldol Condensation, Optical Properties of the Synthetic Bacteriochlorophyll‐d Analogs, and Self‐aggregation of Their Zinc Complexes (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeda Toyoho、Kitagawa Yuichi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Photochemistry and Photobiology 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1111/php.13604
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Chl@Ti3C2 composites as an anode material for lithium storage (2021)
  • 著者名/発表者名: Xu Wenxin、Zhao Xin、Tang Jiali、Zhang Chao、Gao Yu、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Li Aijun、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Frontiers of Chemical Science and Engineering 巻: 15 ページ: 709～716
  • DOI: 10.1007/s11705-020-1984-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of Highly Fluorescent Cationic Chlorophyll-a Derivatives Possessing a p-Aminopyridinio Group at the 31-Position (2021)
  • 著者名/発表者名: Ogasawara Shin、Takahashi Tatsuya、Kitagawa Yuichi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 94 ページ: 1201～1203
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Supramolecular Nanofibers Constructed by Hydrogen Bonding of Chlorophyll Dimer (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsubara Shogo、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 ページ: 999～1001
  • DOI: 10.1246/cl.210026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physicochemical and biochemical properties of synthetic zinc 131-(un)substituted chlorophyll-a derivatives (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirose Mitsuaki、Harada Jiro、Maeda Hiroaki、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron 巻: 88 ページ: 132151～132151
  • DOI: 10.1016/j.tet.2021.132151
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-aggregation of Synthetic 20-O-Substituted Bacteriochlorophyll-d Analogs (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakaguchi Kana、Kishi Masashi、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 ページ: 1416～1418
  • DOI: 10.1246/cl.210216
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of 20-Deuterated Bacteriochlorophyll-d Homolog and Its 31-Epimerically Controlled Self-Aggregation (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiozaki Mai、Miyanishi Takuya、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 ページ: 1539～1542
  • DOI: 10.1246/cl.210279
  • 査読あり
• [雑誌論文] 31-Substituent-dependent self-aggregation of bacteriochlorophyll-d analogs in aqueous micelle (2021)
  • 著者名/発表者名: Tani Shunsuke、Kanehisa Seiji、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 ページ: 1551～1554
  • DOI: 10.1246/cl.210312
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of 20-substituted chlorophyll derivatives with F-ring and optical properties of their less distorted chlorin π-systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Takarada Yuki、Doi Marie、Ogasawara Shin、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Tetrahedron 巻: 93 ページ: 132260～132260
  • DOI: 10.1016/j.tet.2021.132260
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aggregate-forming semi-synthetic chlorophyll derivatives / Ti3C2Tx MXene hybrids for photocatalytic hydrogen evolution (2021)
  • 著者名/発表者名: Li Yuanlin、Liu Yanxiang、Sun Xiaoli、Zheng Tianfang、Dall’Agnese Yohan、Dall’Agnese Chunxiang、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Dyes and Pigments 巻: 194 ページ: 109583～109583
  • DOI: 10.1016/j.dyepig.2021.109583
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of deuterated chlorophyll derivatives and their physical properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiozaki Mai、Miyanishi Takuya、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Dyes and Pigments 巻: 194 ページ: 109618～109618
  • DOI: 10.1016/j.dyepig.2021.109618
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydroquinone redox mediator enhances the photovoltaic performances of chlorophyll-based bio-inspired solar cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Duan Shengnan、Uragami Chiasa、Horiuchi Kota、Hino Kazuki、Wang Xiao-Feng、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Hashimoto Hideki
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 4 ページ: 118～118
  • DOI: 10.1038/s42004-021-00556-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Self-aggregation of synthetic zinc 3-hydroxymethyl-chlorophyll-a derivatives possessing electron-withdrawing groups at the 20-position in aqueous micelle solution (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakaguchi Kana、Kishi Masashi、Kinoshita Yusuke、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 巻: 25 ページ: 1104～1110
  • DOI: 10.1142/S1088424621501017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of 132,173-cyclopheophorbides and their optical properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Yusuke、Demise Ayaka、Ishikawa Haruki、Tamiaki Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 420 ページ: 113490～113490
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2021.113490
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge Generation and Transfer Mechanism of Bilayer Organic Photovoltaics with Unconventional Energy Alignment (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiang Tian-Fu、Duan Shengnan、Tamiaki Hitoshi、Sun Yuliang、Liu Ziyan、Sasaki Shin-ichi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 ページ: 25680～25686
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c07157
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of the Fabrication Method of Chlorophyll‐Ti3C2Tx‐Based Photocatalysts on Noble Metal‐Free Hydrogen Evolution (2021)
  • 著者名/発表者名: Zheng Tianfang、Li Yuanlin、Sun Yuliang、Dall’Agnese Yohan、Dall’Agnese Chunxiang、Sasaki Shin-ichi、Tamiaki Hitoshi、Wang Xiao-Feng
  • 雑誌名: Energy Technology 巻: 10 ページ: 2100713～2100713
  • DOI: 10.1002/ente.202100713
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 有機合成法からアプローチする生体外におけるBciC酵素反応の基質特異性の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 廣瀨 光了、原田 二朗、民秋 均
  • 学会等名: 原核光合成生物シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Chlorophyll derivative-based photo-energy conversion systems inspired from Z-scheme process of oxygenic photosynthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: X.-F. Wang, S. Duan, Y. Li, N. Li, S. Sasaki, H. Hashimoto, H. Tamiaki
  • 学会等名: SNCPP21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Intramolecular asymmetric coordination of synthetic zinc chlorophyll-a derivatives possessing a pyridyl group (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Oyagi, S. Ogasawara, H. Tamiaki
  • 学会等名: SNCPP21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] BciC enzymatic reactions of synthetic zinc 131-(un)substituted chlorophyll-a derivatives (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hirose, J. Harada, H. Maeda, H. Tamiaki
  • 学会等名: SNCPP21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Redox mediator to enhance the photovoltaic performance of chlorophyll-based bio-inspired solar cells (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Hashimoto, S. Duan, C. Uragami, K. Horiuchi, K. Hino, X.-F. Wang, S. Sasaki, H. Tamiaki
  • 学会等名: ISPCCS2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Self-aggregation of bacteriochlorophyll-c/d analogs as models of photosynthetic light-harvesting antennas (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tamiaki, M. Shiozaki, S. Tani, K. Sakaguchi
  • 学会等名: ISPCCS2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis of (bacterio)chlorophylls bearing deuterated substituents and their physical properties (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Tamiaki, S. Matsubara, S. Shoji
  • 学会等名: Pacifichem 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Fundamentals of Porphyrin Chemistry: A 21st Century Approach (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Tamiaki
  • 総ページ数: 34
  • 出版者: John Wiley & Sons
  • ISBN: 978-1-119-12928-8
• [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
• [学会・シンポジウム開催] SNCPP21 (2021)