光合成を利用したバイオテクノロジーによる水素生産技術の研究開発

2011 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 21612007
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: バイオマスエネルギー
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 杉浦 美羽 愛媛大学, 無細胞生命科学工学研究センター, 准教授 (80312255)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2011
• キーワード: 光合成電子伝達系

研究概要

本研究の最終目標は、光合成微生物である好熱性ラン藻Thermosynechococcus elongatusにH^+を還元してH_2にする酵素遺伝子を導入することによって、太陽光を当てれば光合成と同期して温泉水程度の貧栄養な条件下で、光合成微生物が水素を生産できる系を構築することである。そのためには、光合成による水の酸化機能を高めてH^+の放出速度を上げた遺伝子組換え体を宿主細胞にして、H^+を還元する酵素遺伝子を導入・発現させて、チラコイドルーメンに輸送させる必要がある。本研究では、まず、水の酸化速度制御のメカニズムを明らかにし、次に、他の生物由来の遺伝子を好熱性ラン藻で機能的に発現させ、チラコイド膜を通過してチラコイド膜ルーメンに輸送できる系の確立を試みた。
水の酸化速度制御に関して最も効果的な段階は、光化学系II電子伝達系の最終ステップであるQ_AからQ_Bへの電子伝達であり、Q_Bの酸化還元電位を上げるように周辺アミノ酸を置換すると、Q_AとQ_Bの間の電位差が大きくなり、この電子移動が速くなるために、電子を引き抜く最初のステップである水の酸化速度が上昇することが分かった。一方、酸化側においては、水の酸化で生じた電子はTyr_Zを介してP_<680>に渡されるが、Tyr_Zと水素結合するHisの距離を長くする変異を施した光化学系IIでは、H^+放出と同期するステップの電子移動が遅くなっており、結果として水の酸化速度が遅くなっていた。以上の結果から、水の酸化およびH^+の放出速度は、還元側の電子の引き抜き速度のみならず、酸化側の電子移動速度に伴うH^+の放出・移動速度に大きく依存することが明らかになった。
本研究によって、水の酸化を上昇させた組換え体を作製することができたので、これに他の生物由来の遺伝子を導入して発現させ、機能させたいチラコイドルーメンに輸送させる系の構築を試みた。安定に発現するプロモータを見つけ、輸送シグナルの下流にレポーター遺伝子を連結した組換え体を作製した。その結果、レポータータンパク質はチラコイド膜に挿入される時に切断され、構造を保持した状態でチラコイドルーメンに輸送されることを確認した。
本研究によって、ラン藻を用いた水素生産系の基盤ができたので、実際にこの系を用いて次の課題としてH^+還元機能を付与することが次の課題である。

研究成果

• [雑誌論文] Deactivation processes in PsbA1-Photosystem II and PsbA3-Photosystem II under photoinhibitory conditions in the cyanobacterium (2012)
  • 著者名/発表者名: Ogami, S., Boussac, A., and Sugiura, M.
  • 雑誌名: Thermosynechococcus elongatus Biochim. Biophys. Acta(Bioenergetics) 巻: 1817 ページ: 802-810
• [雑誌論文] Environment of TyrZ in Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus in which PsbA2 is the D1 protein (2012)
  • 著者名/発表者名: Sugiura M, Ogami S, Kusumi M, Un S, Rappaport F, Boussac A.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem 巻: 287 ページ: 13336-13347
• [雑誌論文] Probing the quinone binding site of Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus containing either PsbA1 or PsbA3 as the D1 protein through the binding characteristics of herbicides (2011)
  • 著者名/発表者名: Boussac, A., Sugiura, M. and Rappaprt, F.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta(Bioenergetics) 巻: 1807 ページ: 119-129
• [雑誌論文] Differences in the interactions between the subunits of Photosystem II dependant on D1 protein variants in the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcuselongatus (2010)
  • 著者名/発表者名: Sugiura, M., Iwai, E., Hayashi, H. and Boussac, A.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 285 ページ: 30008-30018
• [雑誌論文] Psb30 contributes to structurally stabilise the Photosystem II complex in the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus (2010)
  • 著者名/発表者名: Sugiura, M., Harada, S., Manabe, T., Hayashi, H., Kashino, Y. and Boussac, A.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta(Bioenergetics) 巻: 1797 ページ: 1546-1554
• [雑誌論文] Energetics in Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus with a D1 protein encoded by either the psbA_1 or psbA_3 gene (2010)
  • 著者名/発表者名: Sugirua, M., Kato, Y., Takahashi, R., Suzuki, H., Watanabe, T., Noguchi, T., Rappaprot, F. and Boussac, A.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta(Bioenergetics) 巻: 1797 ページ: 1491-1499
• [雑誌論文] Photoelectron generation by photosystem II core complexes tethered to gold surfaces (2010)
  • 著者名/発表者名: Vittadello, M., Gorbunov, M. Y., Mastrogiovanni, D. T., Wielunski, L. S., Garfunkel E. L., Guerrero F., Kirilovsky D., Sugiura, M., Rutherford, A. W., Safari A., and Falkowski, P. G.
  • 雑誌名: Chem. Sus. Chem. 巻: 3 ページ: 471-475
• [雑誌論文] D1 protein variants in Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus studied by low temperature optical spectroscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: Hughes, J. L, Nichola, C., Rutherford, A. W., Krausz, E., Lai, T.-L., Boussac, A. and Suguira, M.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta(Bioenergetics) 巻: 1797 ページ: 11-19
• [雑誌論文] Spectroelectrochemical determination of the redox potential of Pheophytin a, the primary electron acceptor in Photosystem II (2009)
  • 著者名/発表者名: Kato, Y., Sugiura, M., Oda, A. and Watanabe, T.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 巻: 106 ページ: 17365-17370
• [雑誌論文] Evidence that D1-His332 in Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus interacts with the S_3-state and not with the S_2-state (2009)
  • 著者名/発表者名: Sugiura, M., Rappaport, F., Hillier, W., Dorlet, P., Ohno, Y., Hayashi, H. and Boussac, A.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 48 ページ: 7856-7866
• [雑誌論文] Monitoring proton release during photosynthetic water oxidation in photosystem II by means of isotope-edited infrared spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, H., Sugiura, M. and Noguchi, T.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 131 ページ: 7849-7857
• [雑誌論文] Complete EPR spectrum of the S_3-state of the oxygen-evolving Photosystem II (2009)
  • 著者名/発表者名: Boussac, A., Sugiura, M., Rutherford, A. W. and Dorlet, P.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 131 ページ: 5050-5051
• [学会発表] 部分構造の異なる反応中心タンパク質で構成された光化学系II複合体の光合成機能 (2012)
  • 学会等名: 平成23年度大阪市立大学複合体先端研究機構年次総会
  • 発表場所: 大阪市立大学
  • 年月日: 20120305-06
• [学会発表] 光合成研究の最前線と課題 (2011)
  • 学会等名: 第50回日本生物物理学会年会シンポジウム「光合成研究で何が明らかにされ、これから何をできるか?-光合成研究の最先端とエネルギー創製研究の現状-
  • 発表場所: 兵庫県立大学
  • 年月日: 20110916-18
• [学会発表] 光合成の高効率エネルギー変換機構と新エネルギー創製への応用 (2011)
  • 学会等名: 日本学術振興会産学協力研究委員会・分子系の複合電子機能第181委員会・第11回研究会「人工光合成ー分子・生体系」
  • 発表場所: 東京工業大学
  • 年月日: 20110714-15
• [学会発表] Comparison of Thermosynechococcus elongatus PSII composed of different D1 (2011)
  • 学会等名: International Conference of" Photosynthesis Research for Sustainerbility"
  • 発表場所: Baku, Azerbaijan
  • 年月日: 20110700
• [学会発表] 部分構造の異なる反応中心タンパク質D1で構成される光化学系IIのエナジェティクスの違い (2011)
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「分子科学と生理学が解き明かす植物の光エネルギー変換の新展開」
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所
  • 年月日: 20110309-10
• [学会発表] Recent progress in Photosystem II research using mutagenesis of Thermosynechococcus elongatus (2011)
  • 学会等名: Japanese-Finnish Seminar 2011 Future prospects of photosynthetic organisms : from genomes to environment
  • 発表場所: Okayama
  • 年月日: 20110301-05
• [学会発表] Energy Conversion by Photosystem II and Application to Energy Creation (2011)
  • 学会等名: 5th International Symposium on Nanomedicine
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 年月日: 20110300
• [学会発表] 光合成によるエネルギー変換のしくみと新エネルギー創製への応用 (2011)
  • 学会等名: 第2回愛媛大学学術フォーラム
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2011-07-29
• [学会発表] 光合成によるエネルギー変換と水の酸化機構 (2011)
  • 学会等名: "2011世界化学年"記念JSTさきがけ研究領域合同シンポジウム「人類の危機に挑む研究開発:光と太陽エネルギー」
  • 発表場所: 神奈川大学
  • 年月日: 2011-03-28
• [学会発表] Overview of Photosystem II and artificial photosynthesis research (2010)
  • 学会等名: The 70th Okazaki International Conference
  • 発表場所: Okazaki
  • 年月日: 20101204-06
• [学会発表] Molecular structure and function of Thermosynechococcus elongatus Photosystem II composed of either D1 : 1 or D1 : 3 (2010)
  • 学会等名: The 15th International Congress of Photosynthesis
  • 発表場所: Beijing
  • 年月日: 20100822-27
• [学会発表] 光化学系II複合体タンパク質の分子構造と機能の関係 (2010)
  • 学会等名: 2010年ナノ学会第8回大会未来を拓くナノサイエンス:理学、工学、医学への広がり
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター
  • 年月日: 20100513-15
• [学会発表] Recent Progress in the Photosytem II enzyme Seminar in CEA Saclay (2009)
  • 学会等名: Service de Bioenergetique, Biologie Structurale et Mecanismes
  • 発表場所: Gif-sur-Yvette, France
  • 年月日: 2009-09-09
• [備考]
  • URL: http://chem.sci.ehime-u.ac.jp/~biochem1/home.htm