| 研究課題/領域番号 |
19H03187
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
柴田 穣 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20300832)
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| 研究分担者 |
高橋 裕一郎 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (50183447)
鞆 達也 東京理科大学, 理学部第一部教養学科, 教授 (60300886)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 単一分子分光 / 励起スペクトル / エネルギー移動 / 過渡的中華体 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、多くの色素分子を結合する複雑な構造を持つ膜タンパク質である光合成タンパク質のAssembly中間体を同定することを目指す。そのため、光合成タンパク質の生合成を活発化させるようなストレスに晒した植物細胞や藻類細胞に含まれる全光合成タンパク質を可溶化し煩雑な精製過程を経ずに全部の成分を単一分子分光により観測することで、微量にしか含まれないAssembly中間体を検出する。我々が開発した極低温共焦点顕微鏡では、一つの光合成タンパク質の蛍光分光が出来るほどに検出感度が高く、この技術を利用して上記の研究を推進してきた。
岡山大の高橋教授グループは、シャペロンタンパク質へのタグ導入により光化学系ＩのAssembly中間体標品の精製に成功している。これらの標品は極めて分量が少ないため、クロロフィル(Chl)が結合しているかも明らかではなかった。我々の極低温顕微鏡技術および時間分解蛍光測定により、これらの標品において初めてChlからの蛍光スペクトル測定に成功した。これにより、Assembly中間体では成熟タンパク質の蛍光スペクトルとは異なるスペクトル成分が見られることを明らかにした。
東京理科大の鞆教授グループは最近、通常のChl-aよりも長波長に吸収ピークを持つChl-fを結合するシアノバクテリア、Halomicronema (H.) hongdechlorisの光化学系Ｉの構造を明らかにしており、結合する100個のChlのうちどれがChl-fであるかを確定した。一方で、7個あるChl-fのどれがどの蛍光バンドを出しているかは明らかではない。我々は、H. hongdechlorisから精製した光化学系Iの単一分子分光実験を行い、Chl-fの蛍光バンドの偏光異方性を測定することで、各Chl-fがどの蛍光バンドに帰属されるかを明らかにした。この成果は、生物物理学会年会で報告した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
年度前半は、COVID19の制約のために実験を進展することが出来なかったが、一方で実験装置の最適化や光学素子の新調や光ファイバーの導入による複数レーザー光源の安定使用を可能にするなど、顕微鏡システムの高機能化を実現できた。
年度後半以降は、特に東京理科大の鞆グループとの共同研究および岡山大の高橋グループとの共同研究について大きな進展があった。特に、鞆グループは最近、H.hongdechlorisの光化学系Iの構造解明を実現し、その構造に基づいたChl-fの蛍光バンドへの帰属は大きく進展した。同じChl-f分子であっても、蛍光波長が大きく異なっているが、その分子機構を明らかにできると期待している。高橋グループとの共同研究でも、これまで蛍光分析が不可能であった光化学系ＩのAssembly中間体について、我々の顕微鏡技術が有効であることが示される成果が挙がっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
以下の３つのプロジェクトが進んでいる：１）植物からの全色素タンパク質の単一分子蛍光分光プロテオーム解析、２）光化学系ＩAssembly中間体の分光学的手法による分子状態の解明、３）H.hongdechlorisの光化学系IのChl-f蛍光バンドの帰属。２）と３）について昨年度大きく進展した。２）については、特にAssembly中間体において光化学反応がどの程度成熟しているのかを明らかにする実験を行う。また、Assembly中間体では、有害な活性酸素発生の原因ともなる色素分子の励起状態を積極的に消光する機構があることも予想されており、このような機構が実際にあるのかを解明したい。具体的には、ストリークカメラを用いた時間分解蛍光測定の導入により、Assembly中間体におけるアンテナ色素間のエネルギー移動がどの程度実現しているかを明らかにする実験を行う。また、光化学系ＩAssebly中間体標品は、いくつかの成分が混在していることが予想されている。これらの混在した成分それぞれの分光特性を明らかにするために、希釈した試料での単一分子分光の実験を行う。時間分解蛍光測定と単一分子分光の結果をまとめることで、どのような分子状態が実現しているのかを明らかにする。
３）のプロジェクトについてはある程度のデータが蓄積されつつあり、さらに解析を進めて論文にまとめる予定である。
１）のプロジェクトに従事する学生が昨年度後半に多くのスキルを身に着けており、今年度には大きく進展することが期待される。植物だけを対象とするのではなく、豊富な変異体株が利用可能な藻類細胞を使った実験を推進する予定である。
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