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2021 年度 実績報告書

天然光合成系におけるエネルギーフローに関する実験・理論解析

計画研究

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 17H06437
研究機関関西学院大学

研究代表者

橋本 秀樹  関西学院大学, 生命環境学部, 教授 (50222211)

研究分担者 石崎 章仁  分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 教授 (60636207)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード光合成 / 集光性色素タンパク質複合体 / 超高速レーザー分光計測 / コヒーレント分光 / エネルギー・フロー
研究実績の概要

紅色光合成細菌 Rsp. rubrumのカロテノイド欠損突然変異株(G9+株)から単離したLH1複合体に、高等植物由来のカロテノイドβ-アポ-8’-カロテナールを再構成することに成功した。再構成LH1の定常吸収および蛍光励起スペクトルの比較より、β-アポ-8’-カロテナールからB880バクテリオクロロフィル a(Bchl a)への励起エネルギー移動効率を80%と正確に定量した。フェムト秒時間分解吸収スペクトル測定とグローバルおよびターゲット解析により、β-アポ-8’-カロテナールのred-form S1/ICT励起状態を介して、92.1%の高効率でB880 Bchl aへの励起エネルギー移動が行われていることを明らかにした。サブナノ秒時間分解吸収測定とそれに続くグローバル解析を行ったところ、LH1に再構成したβ-アポ-8’-カロテナールは、光保護の機能をも完全に果たしていることを示した。これらの成果は、バクテリアの光合成光捕集系の機能を自然から学び、自然の摂理を越える効率を出すための方法を明確に提示した初めての研究報告例である。
緑色植物の光捕集タンパク質LHCIIにおいて分子内振動と電子状態間ギャップとの量子共鳴が重要な役割を果たすことが提案された (Nat. Comm. 11 (2020) 1460.) 。本研究では、電子エネルギー移動の量子ダイナミクス計算を行うことで、光捕集タンパク質が内包色素分子の量子状態に及ぼす動的な揺らぎの効果を詳細に解析した。その結果、比較的低い振動数の振動モードが関与する量子共鳴は動的揺らぎに対して脆弱である一方で、比較的高い振動数のモードが関与する量子共鳴は動的揺らぎに対して頑健に維持され、その結果LHCIIにおける分子内振動と電子状態間ギャップとの量子共鳴が電子エネルギー輸送を一桁も加速し得るという結論を得た。

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

    (34件)

すべて 2022 2021 2018 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 10件、 招待講演 12件) 図書 (1件) 備考 (5件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] University of Glasgow(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Glasgow
  • [国際共同研究] Jilin Univeristy(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Jilin Univeristy
  • [国際共同研究] Institute of Microbiology(チェコ)

    • 国名
      チェコ
    • 外国機関名
      Institute of Microbiology
  • [雑誌論文] Hydroquinone redox mediator enhances the photovoltaic performances of chlorophyll-based bio-inspired solar cells2021

    • 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: ー

    • 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] “Where there is a will, there is a way”2021

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Hideki、Kudo Akihiko、Tamiaki Hitoshi
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 406 ページ: 112988~112988

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112988

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unique ultrafast excited states dynamics of artificial short-polyene carotenoid analog 2-(all-trans-β-ionylideneetinylidene)-indan-1,3-dione2021

    • 著者名/発表者名
      Kosumi D.、Kusumoto T.、Hashimoto H.
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 418 ページ: 113424~113424

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2021.113424

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Achieving two-dimensional optical spectroscopy with temporal and spectral resolution using quantum entangled three photons2021

    • 著者名/発表者名
      Fujihashi Yuta、Ishizaki Akihito
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 155 ページ: 044101~044101

    • DOI

      10.1063/5.0056808

    • 査読あり
  • [学会発表] 可視・近赤外のフェムト秒時間分解過渡吸収分光測定によるcis-trans β-apo- 8’-carotenalの励起状態ダイナミクスの解析2022

    • 著者名/発表者名
      堀内 滉太、浦上 千藍紗、行平 奈央、小澄 大輔、橋本 秀樹
    • 学会等名
      日本化学会 第102回春季年会
  • [学会発表] アクセプター内包多孔性亜鉛ポルフィリンダイマーの合成, 結晶構造, 光物性2022

    • 著者名/発表者名
      大城 実之、満身 稔、浦上 千藍紗、橋本 秀樹
    • 学会等名
      日本化学会 第102回春季年会
  • [学会発表] Photoprotective mechanisms in the antenna pigment-protein complexes from purple photosynthetic bacteria2021

    • 著者名/発表者名
      Hideki Hashimoto, Chiasa Uragami, Hiroki Sato, Nao Yukihira, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Alastair T. Gardiner and Richard J. Cogdell
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pasific Basin Societies 2021 (Pasifichem2021)
    • 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 cells2021

    • 著者名/発表者名
      Hideki Hashimoto, Shengnan Duan, Chiasa Uragami, Kota Horiuchi, Kazuki Hino, Xiao-Feng Wang, Shin-ichi Sasaki, Hitoshi Tamiaki
    • 学会等名
      4th International Symposium on Photofunctional Chemistry of Complex Systems (ISPCCS2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Investigating the photoprotective mechanisms of the core LH1 antenna pigment-protein complex from the purple photosynthetic bacterium, Rhodospirillum rubrum2021

    • 著者名/発表者名
      Chiasa Uragami, Hiroki Sato, Nao Yukihira, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell, Hideki Hashimoto
    • 学会等名
      4th International Symposium on Photofunctional Chemistry of Complex Systems (ISPCCS2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Photoprotection function of the core LH1 antenna pigment-protein complex from Rhodospirillum rubrum as revealed by femtosecond to sub-millisecond time-resolved absorption spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Chiasa Uragami, Hiroki Sato, Nao Yukihira, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Alastair Gardiner, Richard Cogdell, Hideki Hashimoto
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pasific Basin Societies 2021 (Pasifichem2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] Comparison of the excited state dynamics of cis-trans isomers of β-apo-8’-carotenal2021

    • 著者名/発表者名
      Kota Horiuchi, Chiasa Uragami, Taiki Inoue, Nao Yukihira, Daisuke Kosumi, Hideki Hashimoto
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pasific Basin Societies 2021 (Pasifichem2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子もつれ光子を用いた時間分解分光の理論:光合成タンパク質への適用2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、東雅大、石崎章仁
    • 学会等名
      研究会 凝縮系の理論化学
  • [学会発表] 量子もつれ光子による光合成捕集系の時間分解計測に関する理論的研究2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [学会発表] 量子もつれ光子対を用いたFenna-Matthews-Olsonタンパク質の時間分解分光スペクトルの理論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、東雅大、石崎章仁
    • 学会等名
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
  • [学会発表] Generation of pseudo-sunlight via quantum entangled photons and interaction with molecules2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Probing exciton dynamics with quantum entangled photons2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子散逸系として見る光捕集系におけるダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      東京大学物性研究所短期研究会 「分子性固体研究の拡がり:新物質と新現象」
    • 招待講演
  • [学会発表] Probing excited-state dynamics with quantum entangled photons: Correspondence to coherent multidimensional spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      11th Asian Photochemistry Conference (APC2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Investigating excited-state dynamics in molecules with quantum light2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA-X 2021)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子科学で挑んだ光合成初期過程研究2008年~2021年2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      量子生命科学会 第3回大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 時間分解量子もつれ分光による光合成初期過程の理論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 学会等名
      量子生命科学会 第3回大会
  • [学会発表] Probing excited-state dynamics with quantum entangled photons: Correspondence to coherent multidimensional spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      Telluride workshop "Spatio-Temporal Dynamics of Excitons: Bridging the Gap Between Quantum Mechanics and Applications"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子科学の観点からみる複雑分子系におけるダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      お茶の水女子大学 理学部物理学科 物理教室談話会
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子科学の観点からみる複雑分子系におけるダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      第8回分子性固体オンラインセミナー
    • 招待講演
  • [図書] Methods in Enzymology2022

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Hideki, Uragami Chiasa, Yukihira Nao, Horiuchi Kota, Cogdell Richard J.
    • 総ページ数
      ー
    • 出版者
      Elsevier
  • [備考] 橋本研究室|関西学院大学生命環境学部 環境応用化学科

    • URL

      http://www.kg-applchem.jp/hashimoto/

  • [備考] 関西学院大学 教授 橋本秀樹 研究紹介

    • URL

      https://www.youtube.com/watch?v=rGjByEmZZfA

  • [備考] 橋本秀樹 | 知のスペシャリスト | 大学と企業を結ぶ、社会を繋ぐ

    • URL

      http://chi-sp.jp/008

  • [備考] 研究者詳細 - 橋本 秀樹 - 関西学院大学

    • URL

      http://researchers.kwansei.ac.jp/view?l=ja&u=200000169

  • [備考] 橋本 秀樹 (Hideki Hashimoto) - マイポータル - researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/read0212509

  • [産業財産権] 酸素ガスの製造方法2018

    • 発明者名
      橋本秀樹、磯邊 清、世良佳彦、岸 浩史、坂本友和、吉元光児
    • 権利者名
      関西学院、富士化学工業、ダイハツ工業
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2018-068918

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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