| 研究課題/領域番号 |
20K03880
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
木村 明洋 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (20345846)
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| 研究分担者 |
伊藤 繁 名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (40108634)
鬼頭 宏任 神戸大学, システム情報学研究科, 特命准教授 (80722561) [辞退]
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 光合成 / 反応中心 / 励起移動 / 電子移動 / 進化 |
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| 研究実績の概要 |
多種多様な光合成生物の光合成反応中心（RC）が持つ、光捕集および電荷分離反応の機能は生物物理学的にどのような関係にあり、 かつ、進化の過程でどのように機能的差異を生み出してきたのかを解明することを目的として、近年報告されたヘリオバクテリア反応中心（hRC）の光捕集機構の解明を行なった。特に、hRCの実測による分光学的スペクトルや励起移動ダイナミクスのより正確な定量的再現を行うため、hRC光捕集機構モデルの改良を行った。
単純なモデルで得たhRC内励起移動速度の解析では、多数のBChl分子の電子励起エネルギー(サイトエネルギー)を同等に扱ったため、実測より数倍速く再検討が必要であった。そこで、各色素周辺の環境の違いによるサイトエネルギーの不均一性を量子化学計算によって導入/解析してモデルを改良した。光化学系I（PSI）RCの構造、励起移動/電子移動速度とそのRC内反応経路に焦点を当てhRCとの機能的差異を比較検討した。
具体的には、Poisson-TrESP法による励起子結合強度計算とCharge Density Coupling (CDC)法によるサイトエネルギー計算を実行してhRCの励起子モデルを作成し、hRCとPSIの光捕集における機能的差異を検討した。その結果、hRCはPSIと比べると漏斗モデルに近い光捕集機能を持っていることが明らかとなった。さらに、hRCを励起したエネルギーが長時間電荷分離反応に利用されない場合、過剰な励起エネルギーを電子伝達体近傍のBChl-g色素による最低励起子状態に留めておき、そのすぐ近くのカロテノイド分子へエネルギーを散逸させる機能を持っている可能性を見出した。また、hRCの構造はPSIに比べ対称性が良く、色素数も少ないため反応中心の光捕集機能に関する全貌を見出すのに非常にコンパクトにまとまった系であることが明らかとなった。
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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
hRCが持つBChl-gのQy吸収帯周辺に関する光捕集機構の全貌を、量子化学計算を組み合わせた励起子状態の解析によって吸収/CDスペクトルや過渡吸収差スペクトルを求めて明らかにした。また、PSIとの機能的差異についてhRCとPSIの各励起子モデルを比較検討することで機能的差異を明確にできた。研究内容は論文としてまとめ、アメリカ化学会のJournal of Physical Chemistry Bに掲載されている。
その他に、可視光よりも長波長な遠赤色光を利用した反応中心である遠赤色光型PSI（FR-PSI）やhRCよりもより単純で始原的な緑色硫黄細菌が持つ反応中心（gRC）の三次元構造が２０２０年に報告された。そこで、FR-PSIやgRCの持つ光捕集機構と各RC間の機能的差異を明らかにするため、現在FR-PSIとgRCそれぞれの光学特性の解明を行なっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進方策として以下の様に進めていく。
１）hRC以外の他のRCとして、近年様々なFR-PSIやgRCの様なI型RCの構造報告がある。FR-PSIは主要色素としてChl-aを多くもちながら、一部Chl-fに置き換えられた遠赤色光を利用して電荷分離反応を起こするRCである。gRCは緑色硫黄細菌が持つRCであり、主要色素としてBChl-aを持つ。それら新規に解明されたRC構造が持つ主要色素のQy光吸収帯近傍の光捕集機構を解明し、各RC間での機能的差異を比較検討することで、機能的進化に関する考察を行う。
２）hRCには、BChl-g以外に可視光領域で光吸収するChl-aFを２つ持っており、電子伝達体の中に埋め込まれている。実験的に、Chl-aFを選択励起させた場合でも、光捕集及び電荷分離反応が起こることが実験的に確認されている。しかし、可視光領域で光励起されたChl-aFの励起状態から、遠赤色光を吸収するBChl-gへエネルギー移動する機構は明らかにされていない。そこで、hRC内のChl-aFを選択励起させた場合の過渡吸収分光に関する研究に着手する。更に、方策１）と同様に、gRC内にも4つのChl-a位置情報が明らかとなったため、gRC中のChl-aを選択励起させた場合の光捕集過程の解析も進める。
３）方策１）、２）でI型RCに関する光捕集機構の全体像と各RC間の機能的差異に関する知見が得られたら、II型RCを含めた各RCの進化的な関係性を、全RCの間の機能的差異を指標として検討する。検討の結果、光捕集/電荷分離反応における機能調節を操作する手法を開発し、環境に合わせた高効率太陽電池や人工光合成系開発に貢献する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症拡大の影響によって、学会出張、研究打ち合わせ旅費などを大幅に使用することがなくなったため、次年度使用額が生じた。
ICTを利用した遠隔形式の学会や研究打ち合わせがしばらく続くことを想定して、研究体制において安定したICT環境を構築するための機材購入をする。
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