紅色細菌の光捕集色素タンパク質・極性カロテノイド複合体の光機能の解明と制御

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04181
• 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, 理工学部, 教授 (50222211)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 光合成 / アンテナ色素タンパク質複合体 / カロテノイド / 超高速レーザー分光 / コヒーレント分光

研究実績の概要

光合成器官は、自然が創造した最も光エネルギー伝達・変換効率の良いバイオナノデバイスである。特に、褐藻類は、単一分子内に電荷供与体と受容体を合わせ持つ極性カロテノイドを光受容体として、その光励起状態で発現する分子内電荷移動（ICT）励起状態を活用し、クロロフィルへの高効率（90%以上）なエネルギー伝達を実現している。本研究は、紅色光合成細菌由来の光捕集タンパク質を基盤とした革新的プラットホームを開発し、これを用いて、カロテノイド－クロロフィル間の励起エネルギー移動の実時間計測・コヒーレント分光計測を行うことにより、高効率人工光合成光捕集アンテナ系を創製するための鍵を握る、ICT励起状態の発現機構及び電子・振動構造を解明することを目的としている。今年度は，藻類由来のカロテノイドの一種フコキサンチン（Fx）と紅色光合成細菌のアンテナ色素タンパク質を用いた人工光合成アンテナを世界で初めて構築し，吸収および蛍光励起スペクトル測定によりFxからバクテリオクロロフィルへ励起エネルギー伝達が起こっていることを明らかにした。Fxを用いた再構成LH1複合体のフェムト秒時間分解吸収分光測定を行い、バクテリオクロロフィルへエネルギー伝達効率を行うFxと行わないFxの２種類がLH1複合体に結合していることが分かった。速度論的解析を行ったところ，前者のFxは 83% に達する高いエネルギー伝達効率を有していることが明らかになった。本研究成果は，人工光合成の実現のために必須である高効率エネルギー伝達を可能にする人工光合成アンテナ系の開発に資することが期待される。

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

褐藻類由来のカロテノイド色素を紅色光合成細菌由来の集光性アンテナ系に組み込む再構成技術を開拓できたことで，本研究課題を遂行するための基盤整備を実現することができた。再構成したカロテノイドからバクテリオクロロフィルへの一重項励起エネルギー移動をフェムト秒時間分解吸収分光を用いて追跡し，カロテノイドのS1/ICT状態を経由して高効率なエネルギー伝達が行われているという本研究の核心に至る興味深い結果を得た。しかしながら，S2状態からのフェムト秒オーダーの励起エネルギー移動機構を解明するという課題が残されており，今後，測定試料の安定化を含めた検討が必要である。

今後の研究の推進方策

研究初年度の最終段階で，主力設備であるフェムト秒再生増幅レーザーに不具合が生じ，ようやくベストの８０％のパワーを復調させることができている。今後，同レーザーの光学系をリペアし，可能な限りベストコンディションを実現する予定である。また，これと同時に研究課題である縮退４光波混合およびpump縮退４光波混合測定系の構築に取りかかる。測定試料に関しては，フローセルを利用して試料のダメージを最小限に抑える等の工夫が必要であり，そのために再構成色素タンパク質複合体試料の大量調製法を確立する。

研究成果

• [国際共同研究] グラスゴー大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: グラスゴー大学
• [雑誌論文] Strategies to enhance the excitation energy-transfer efficiency in the light-harvesting system using the intra-molecular charge transfer character of carotenoids (2017)
  • 著者名/発表者名: N. Yukihira, Y. Sugai, M. Fujiwara, D. Kosumi, M. Iha, K. Sakaguchi, S. Katsumura, A.T. Gardiner, R.J. Cogdell, *H. Hashimoto
  • 雑誌名: Faraday Discuss. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1039/c6fd00211k
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Excited state properties of beta-carotene analogs incorporating a lactone ring (2017)
  • 著者名/発表者名: *D. Kosumi, T. Kajikawa, K. Sakaguchi, S. Katsumura, *H. Hashimoto
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 19 ページ: 3000-3009
  • DOI: 10.1039/c6cp06828f
  • 査読あり / 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: *J.R. Reimers, M. Biczysko, D. Bruce, D.F. Coker, T.J. Frankcombe, H. Hashimoto, J. Hauer, R. Jankowiak, T. Kramer, J. Linnanto, F. Mamedov, F. Muh, M. Ratsep, T. Renger, S. Styring, J. Wan, Z. Wang, Z.Y. Wang-Otomo, Y.X. Weng, C. Yang, J.P. Zhang, A. Freiberg, *E. Krausz
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1857 ページ: 1627-1640
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.06.010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoprotection vs. Photoinhibition of Photosystem II in Transplastomic Lettuce (Lactuca sativa) Dominantly Accumulating Astaxanthin (2016)
  • 著者名/発表者名: *R. Fujii, N. Yamano, H. Hashimoto, N. Misawa, *K. Ifuku
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 57 ページ: 1518-1529
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv187
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carotenoids and Photosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: *H. Hashimoto, C. Uragami, R.J. Cogdell
  • 雑誌名: Subcell. Biochem. 巻: 79 ページ: 111-139
  • DOI: 10.1007/978-3-319-39126-7_4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Determining internal screening electric field of working polymer light emitting diodes (2016)
  • 著者名/発表者名: *K. Kanemoto, T. Takahashi, H. Hashimoto
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 109 ページ: 03301
  • DOI: 10.1063/1.4955126
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electroabsorpiton (Stark) Spectra of Transition Metal Complexes (2016)
  • 著者名/発表者名: *K. Kawamoto, H. Hashimoto
  • 雑誌名: Bull. Jpn. Soc. Coord. Chem. 巻: 67 ページ: 75-79
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoprotection Mechanism of Light-Harvesting Antenna Complex from Purple Bacteria (2016)
  • 著者名/発表者名: *D. Kosumi, T. Horibe, M. Sugisaki, R.J. Cogdell, *H. Hashimoto
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 120 ページ: 951-956
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b00121
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vibrational Dynamics in β-Carotene Investigated by Wavelength-Modulated FSRS (2016)
  • 著者名/発表者名: *M. Yoshizawa, A. Shimura, A. Tamura, H. Hashimoto
  • 雑誌名: Carotenoid Science 巻: 21 ページ: 25-27
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dependence of Vibrational Dynamics in β-carotene on Actinic Pump Wavelength by Wavelength-Modulated FSRS (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Kikuchi, A. Tamura, H. Hashimoto, *M. Yoshizawa
  • 雑誌名: Carotenoid Science 巻: 21 ページ: 32-35
• [雑誌論文] Excited State Properties of β-Carotene Analogs Incorporating a Lactone Ring (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kosumi, T. Kajikawa, K. Sakaguchi, S. Katsumura
  • 雑誌名: Carotenoid Science 巻: 21 ページ: 36-41
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 天然光合成と人工光合成の励起状態分子ダイナミクス (2017)
  • 著者名/発表者名: 〇橋本秀樹
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
  • 発表場所: 慶応義塾大学 （神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] Isolation and Purification of Capsanthin from Red Paprika (Capsicum annuum L.) and its Application to the Electroabsorption Spectroscopic Measurements (2017)
  • 著者名/発表者名: ○Shota Seto, Tomoko Horibe, Chiasa Uragami, Yuko Sugai, Takashi Maoka, Takanori Nishioka and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
  • 発表場所: 慶応義塾大学 （神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [学会発表] Investigation of the fucoxanthin reconstituted light-harvesting 1 complex from a purple photosynthetic bacterium Rhodospirillum rubrum G9+ (2017)
  • 著者名/発表者名: ○Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Masahiko Iha, Kazuhiko Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
  • 発表場所: 慶応義塾大学 （神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [学会発表] Photoprotective Function in LH1 Antenna Pigment-Protein Complexes from a Purple Photosynthetic Bacterium Rhodospirillum rubrum (2017)
  • 著者名/発表者名: 〇Hiroki Sato, Nao Yukihira, Masazumi Fujiwara, Yuko Sugai, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
  • 発表場所: 慶応義塾大学 （神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-19
• [学会発表] 窒素欠陥中心を用いたナノダイヤモンドのブラウン運動センシング (2017)
  • 著者名/発表者名: ○藤原正澄, 鹿野豊, 橋本秀樹
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜 （神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-17
• [学会発表] EXCITATION ENERGY TRANSFER AND DISSIPATION DYNAMICS OF CAROTENOIDS IN PHOTOSYNTHETIC ANTENNA SYSTEMS (2017)
  • 著者名/発表者名: 〇Hideki Hashimoto, Nao Yukihira, Hiroki Sato, Masazumi Fujiwara, Yuko Sugai, Tomoko Horibe, Daisuke Kosumi, Alastair T. Gardiner, and Richard J. Cogdell
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学 （京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-03-02 – 2017-03-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Isolation and Purification of Capsanthin from Red Paprika (Capsicum annuum L.) and its Application to the Stark Spectroscopic Measurements (2017)
  • 著者名/発表者名: ○Shota Seto, Tomoko Horibe, Chiasa Uragami, Yuko Sugai, Takashi Maoka, Takanori Nishioka and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学 （京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-03-02 – 2017-03-05
  • 国際学会
• [学会発表] Reconstitution of the light-harvesting 1 complex from A purple photosynthetic bacterium Rhodospirillum rubrum G9+ with fucoxanthin (2017)
  • 著者名/発表者名: ○Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Masahiko Iha, Kazuhiko Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学 （京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-03-02 – 2017-03-05
  • 国際学会
• [学会発表] Photoprotection Mechanism of the LH1 Antenna Complex from a purple photosynthetic bacterium Rhodosprillum rubrum (2017)
  • 著者名/発表者名: 〇Hiroki Sato, Nao Yukihira, Masazumi Fujiwara, Yuko Sugai, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学 （京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-03-02 – 2017-03-05
  • 国際学会
• [学会発表] Solar hydrogen evolution by water splitting (1): development of photocatalyst using abundant natural resources (2017)
  • 著者名/発表者名: ○Yoshihiko Sera, Tomoko Horibe, Kiyoshi Isobe, Eiji Yamashita and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学 （京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-03-02 – 2017-03-05
  • 国際学会
• [学会発表] Solar hydrogen evolution by water splitting (2): evaluation of the hydrogen producing catalyst, Fe-GO (2017)
  • 著者名/発表者名: ○Tomoko Horibe, Yoshihiko Sera, Kiyoshi Isobe, Eiji Yamashita and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: 2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学 （京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-03-02 – 2017-03-05
  • 国際学会
• [学会発表] Strategies to enhance the excitation energy-transfer efficiency in the light-harvesting system using the intra-molecular charge transfer character of carotenoids (2017)
  • 著者名/発表者名: Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Daisuke Kosumi, Masahiko Iha, Kazuhiko Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell, and 〇Hideki Hashimoto
  • 学会等名: Faraday Discussion on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 立命館大学 （京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-02-28 – 2017-03-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Isolation and Purification of Capsanthin from Red Paprika (Capsicum annuum L.) and its Application to the Advanced Spectroscopic Measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: ○Shota Seto, Tomoko Horibe, Chiasa Uragami, Yuko Sugai, Takashi Maoka, Takanori Nishioka and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: The 23rd International SPACC Symposium
  • 発表場所: 岡山理科大学 （岡山県・岡山市）
  • 年月日: 2016-11-21 – 2016-11-23
  • 国際学会
• [学会発表] Energy-transfer efficiency of fucoxanthin reconstituted into the light-harvesting 1 complex from a purple photosynthetic bacterium Rhodospirillum rubrum G9+ (2016)
  • 著者名/発表者名: ○Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Chiasa Uragami, Daisuke Kosumi, Kazuhiro Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, Richard J. Cogdell and Hideki Hashimoto
  • 学会等名: The 23rd International SPACC Symposium
  • 発表場所: 岡山理科大学 （岡山県・岡山市）
  • 年月日: 2016-11-21 – 2016-11-23
  • 国際学会
• [学会発表] バランス型フォトダイオードを用いた光吸収顕微分光とダイヤモンド NV 中心の光検出磁気共鳴 (2016)
  • 著者名/発表者名: ○藤原正澄, 橋本秀樹
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会2016
  • 発表場所: 筑波大学東京キャンパス 文京校舎 （東京都・文京区）
  • 年月日: 2016-10-30 – 2016-11-02
• [学会発表] 赤パプリカから抽出したカプサンチンの精製及び同定と先端分光計測への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 瀬戸翔太, ○佐藤大樹, 堀部智子, 浦上千藍紗, 須貝祐子, 眞岡孝至, 西岡孝訓, 橋本秀樹
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部平成28年度第2回講演会
  • 発表場所: 関西学院大学 （兵庫県・西宮市）
  • 年月日: 2016-10-07
• [学会発表] 紅色光合成細菌Rs. rubrum G9+のLH1サブユニット型複合体とフコキサンチンを用いた再構成LH1複合体の励起エネルギー伝達 (2016)
  • 著者名/発表者名: ○行平奈央, 佐藤大樹, 須貝祐子, 藤原正澄, 浦上千藍紗, 伊波匡彦, 坂口和彦, 勝村成雄, 橋本秀樹
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部平成28年度第2回講演会
  • 発表場所: 関西学院大学 （兵庫県・西宮市）
  • 年月日: 2016-10-07
• [学会発表] 紅色光合成細菌Rs. rubrum G9+のLH1サブユニット型複合体とフコキサンチンを用いた再構成LH1複合体におけるエネルギー移動 (2016)
  • 著者名/発表者名: ○行平奈央, 須貝祐子, 藤原正澄, 浦上千藍紗, 伊波匡彦, 坂口和彦, 勝村成雄, 橋本秀樹
  • 学会等名: 2016年光化学討論会
  • 発表場所: 東京大学 （東京都・目黒区）
  • 年月日: 2016-09-06 – 2016-09-08
• [学会発表] 赤パプリカ(Capsicum annuum L.)より抽出したカプサンチンの精製及び同定と先端分光計測への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: ○瀬戸翔太, 堀部智子, 浦上千藍紗, 須貝祐子, 眞岡孝至, 西岡孝訓, 橋本秀樹
  • 学会等名: 第30回カロテノイド研究談話会
  • 発表場所: ホテルムーンビーチ （沖縄県・国頭郡）
  • 年月日: 2016-06-24 – 2016-06-26
• [学会発表] 紅色光合成細菌 Rs. rubrum G9+ のLH1 サブユニット型複合体とフコキサンチンを用いた LH1 複合体の再構成 (2016)
  • 著者名/発表者名: ○行平奈央, 須貝祐子, 藤原正澄, 浦上千藍紗, 小澄大輔, 伊波匡彦, 坂口和彦, 勝村成雄, 橋本秀樹
  • 学会等名: 第30回カロテノイド研究談話会
  • 発表場所: ホテルムーンビーチ （沖縄県・国頭郡）
  • 年月日: 2016-06-24 – 2016-06-26
• [学会発表] Incorporation of Algal Carotenoids into the Light-Harvesting System from a Purple Photosynthetic Bacterium (2016)
  • 著者名/発表者名: 〇Hideki Hashimoto, Nao Yukihira, Yuko Sugai, Masazumi Fujiwara, Masahiko Iha, Kazuhiko Sakaguchi, Shigeo Katsumura, Alastair T. Gardiner, and Richard J. Cogdell
  • 学会等名: 2016 American Society for Photobilogy Conference
  • 発表場所: Tamap Marriott Waterside Hotel & Marina (Tamap, Florida, USA)
  • 年月日: 2016-05-21 – 2016-05-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Carotenoids in Nature; Biosynthesis, Regulation and Function (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Hashimoto, C. Uragami, and R.J. Cogdell
  • 総ページ数: 457
  • 出版者: Springer