結晶構造から解き明かす光合成の光捕集・光電変換とキノン輸送の分子機構

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04174
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 大友 征宇 茨城大学, 理学部, 教授 (10213612)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 光合成 / 光捕集 / エネルギー移動 / 光電変換

研究実績の概要

本研究では、先に決定した紅色光合成細菌由来の光捕集反応中心超分子複合体LH1-RCの結晶構造（Nature 508, 228; 2014）に基づいて、(1)光捕集複合体の吸収挙動と構造安定性を制御する構造要因の特定、(2)キノン輸送機構の解明、(3)反応中心複合体の構造と特性の再検証、(4)膜リン脂質と複合体との間に存在する特異的な相互作用の解明を目的とする。さらに、(5)より高分解能での結晶構造解析を目指す。
本年度は当初の実施計画に沿って、好熱性光合成細菌Tch. tepidum由来のLH1-RC複合体を単離精製する段階から、Ca2+と同族のMg2+、Sr2+、Ba2+やCa2+と同じイオン半径をもつCd2+、荷電数は異なるがほぼ同じイオン半径をもつDy3+を添加し、Ca2+との置換反応を行った。置換されたLH1複合体の近赤外吸収極大はいずれもCa2+のものに比べ、約25nmブルーシフトした。これらの金属置換LH1-RCの内、Sr-LH1-RCとBa-LH1-RCから比較的良質な結晶が得られたため、Ｘ線構造解析を行った。予想に反して、LH1中におけるSrとBaの結合部位はCaのものと異なっていたことが判明した。Caの場合LH1-αとβ鎖で構成された二重リングの間にCaイオンが均等に位置し、リンカーとして両リングを架橋して強固な二重リングネットワークを形成しているのに対して、SrとBaの場合内側のαリングのみが架橋され、一重のリング構造を形成していることを突き止めた。この特異な構造によって色素の配向性に変化が生じ、吸収極大がブルーシフトするとともにLH1-RC全体の熱安定性の低下を引き起こしていると考えられる。これらの成果は学会および国際学術誌にて発表した。

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

本補助金を受ける前から菌体の培養から色素タンパク質複合体の精製、特性評価まで各種予備実験などを行っていたため、本研究課題をスムーズに開始させることができた。期間中、良質な結晶が得られない状態が長く続いたことやＸ線回折データの解析に予想より時間がかかったことはあったが、協力研究者たちとの努力によって長い年月をかけて取り組んできた金属置換LH1-RCの結晶構造を決定することができた。また、その成果を速やかに学会発表と国際学術論文誌を通して社会に発信することができた。以上のことを総合的に判断した結果、上記の評価とした。

今後の研究の推進方策

初年度の成果を踏まえ、今後次の実験を計画している。通常の光合成細菌では、LH1の近赤外領域における吸収極大（Qy遷移）が880nmに位置するのに対して、本研究で用いる好熱性光合成細菌Tch. tepidum由来のLH1はCaの影響で約35nmも長い915nmに吸収極大をもっている。Caイオンに配位するアミノ酸残基の役割と寄与の度合いを調べるために遺伝子工学的手法により変異を導入し、改変することによってQy遷移がどのような挙動を示すのかを検証するとともに、各種変異体の特性評価と構造解析を目的とする。また、現時点では天然型Ca-LH1-RCについて3.0Aの分解能で、金属置換型LH1-RCについて3.3Aの分解能で構造が決定されたが、まだ見えていない配位水と脂質分子および電子密度が明瞭でない末端と運動性の高い部位を特定するために、より高分解能の回折を与える結晶の作製とその構造解析を行う。これらの課題は当初の研究計画で予定されていたもので、特に変更はない。

研究成果

• [雑誌論文] Structural basis for the unusual Qy red-shift and enhanced thermostability of the LH1 complex from Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Yu, L.-J., Kawakami, T., Kimura, Y., Wang-Otomo, Z.-Y.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 55 ページ: 6495-6504
  • DOI: doi:10.1021/bi401033y
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spectroscopic and Thermodynamic Characterization of the Metal-Binding Sites in the LH1-RC Complex From Thermophilic Photosynthetic Bacterium Thermochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: Kimura, Y., Yura, Y., Hayashi, Y., Li, Y., Onoda, M., Yu, L.-J., Wang-Otomo, Z.-Y., Ohno, T.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 120 ページ: 12466-12473
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bacterial light-harvesting complexes showing giant second-order nonlinear optical response as revealed by hyper-Rayleigh light scattering. (2016)
  • 著者名/発表者名: Ma, F., Yu, L.-J., Ma, X.-H., Wang, P., Wang-Otomo, Z.-Y. & Zhang, J.-P.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 120 ページ: 9395-9401
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Challenges facing an understanding of the nature of low-energy excited states in photosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Reimers, J. R., Biczysko, M., Bruce, D., Coker, D., Frankcombe, T., Hashimoto, H., Hauer, J., Jankowiak, R., Kramer, T., Linnanto, J., Mamedov, F., M., R, M., Renger, T., Styring, S., Wan, J., Wang, Z., Wang-Otomo, Z.-Y., Weng, Y.-X., Yang, C., Zhang, J.-P., Freiberg, A., and Krausz, E.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1857 ページ: 1627-1640
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Temperature dependent LH1→RC energy transfer in purple bacteria Tch. tepidum with shiftable LH1-Qy band: A natural system to investigate thermally activated energy transfer in photosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Ma, F., Yu, L.-J., Wang-Otomo, Z.-Y. & Van Grondelle, R.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1857 ページ: 408-414
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Purification and spectroscopic study of the light-harvesting complexes from thermophilic purple bacterium Allochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村夏紀, 呂淑文, 大越慧, 岡﨑航大,川上知朗, Madigan M. T., 木村行宏, 大友征宇
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会大会
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 2016-11-25 – 2016-11-27
• [学会発表] Structural basis for the metal-ion recognition of the bacterial light-harvesting core complex (2016)
  • 著者名/発表者名: 川上知朗、于龍江、木村行宏、大友征宇
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会大会
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 2016-11-25 – 2016-11-27
• [学会発表] Crystal structures reveal molecular basis for the bacterial LH1 Qy transition and its thermostability (2016)
  • 著者名/発表者名: Z.-Y. Wang-Otomo, L.-J. Yu, T. Kawakami, Y. Kimura
  • 学会等名: 第１７回国際光合成会議
  • 発表場所: MAASTRICHT, THE NETHERLANDS
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-12
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of the LH complexes from a new thermophilic purple bacterium Allochromatium tepidum (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kawakami, N. Nakamura, Y. Kimura, K. Okazaki, A. Ohkoshi, M. T. Madigan, Z.-Y. Wang-Otomo
  • 学会等名: 第１７回国際光合成会議
  • 発表場所: MAASTRICHT, THE NETHERLANDS
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-12
  • 国際学会
• [学会発表] 888 nmにQy遷移をもつ紅色細菌LH1の構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 于 龍江，川上知朗，木村行宏，大友征宇
  • 学会等名: 光合成セミナー2016
  • 発表場所: 龍谷大学
  • 年月日: 2016-07-09 – 2016-07-10
• [学会発表] 光捕集反応中心におけるキノン分子の輸送機構について (2016)
  • 著者名/発表者名: 川上知朗、于龍江、大友征宇
  • 学会等名: 生体分子討論会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2016-06-24 – 2016-06-25
• [学会発表] 金属イオンがもたらす光捕集反応中心の構造と特性変化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 川上知朗、于龍江、大友征宇
  • 学会等名: 日本光合成学会
  • 発表場所: 東京理科大学
  • 年月日: 2016-05-27 – 2016-05-28
• [学会発表] 紅色光合成細菌におけるキノン組成の同定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉村未来、木村優花、川上知朗、大友征宇
  • 学会等名: 日本光合成学会
  • 発表場所: 東京理科大学
  • 年月日: 2016-05-27 – 2016-05-28
• [備考] http://biophys.sci.ibaraki.ac.jp