金属イオンによって誘起される光合成光捕集複合体の構造と機能変化

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23550188
• 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)
• キーワード: 光合成 / 光捕集 / 金属イオン / 生体分子認識 / 生体機能

研究概要

本研究では、光合成初期過程を司る光捕集光電変換色素膜タンパク質LH1-RC、LH1とLH2複合体を対象に、そこで起きている色素膜タンパク質と金属イオン間の特異的な分子認識現象を取り上げ、その高度な分子認識機構を原子レベルで解明することを目的とする。これらの分子認識機構と生理機能の制御及び立体構造との相関情報に基づいて、生体超分子による高効率のアンテナ素子の構築を目指している。
本年度は当初の実施計画に沿って、光合成細菌由来の光捕集反応中心タンパク質超分子複合体LH1-RCの単離と精製、結晶化及び構造解析の研究を行ってきた。大型放射光施設SPring-8とフォトンファクトリPFでのデータ収集及び特性評価を行い、原子レベルで同複合体の構造解明を成し遂げた。この中で、特に金属イオン(Ca2+)の結合部位が同定され、LH1複合体の特異な分光学的特徴を与える分子メカニズムを明らかにした。これらの成果は今年4月10日発行のNature誌にArticleとして掲載され、社会に発信することができた。
一方、等温滴定マイクロカロリメトリー（ITC）測定によってタンパク質と各種２価金属イオンの結合に伴う強い信号が検出され、LH1複合体中の色素バクテリオクロロフィルaにおける金属イオン結合の様式を熱力学的に評価した。野生型LH1-RCおよびSr置換型LH1-RCに対するSrの結合力はCaよりも著しく低下すること、Srの結合はエンタルピー駆動型であることが示唆され、今後、構造と耐熱性の関連因子を考察する上で有益な知見を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Structure of the LH1-RC complex from Thermochromatium tepidum at 3.0 A (2014)
  • 著者名/発表者名: Niwa, S., Yu, L.-J., Takeda, K., Hirano, Y., Kawakami, T., Wang-Otomo, Z.-Y. & Miki, K.
  • 雑誌名: Nature 巻: 508 ページ: 228-232
  • DOI: 10.1038/nature13197
  • 査読あり
• [雑誌論文] ATR-FTIR detection of the metal-sensitive structural changes in the light-harvesting 1 reaction center complex from the thermophilic purple sulfur bacterium Thermochromatium tepidum (2013)
  • 著者名/発表者名: Li, Y., Kimura, Y., Arikawa, T., Wang-Otomo, Z.-Y. & Ohno, T.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 52 ページ: 9001-9008
  • 査読あり
• [学会発表] Crystal structure of a LH1-RC core complex from Thermochromatium tepidum (2013)
  • 著者名/発表者名: ○大友征宇、于龍江、丹羽智美、竹田一旗、平野優、川上知朗、三木邦夫
  • 学会等名: 第１６回国際光合成会議
  • 発表場所: 米国St. Louis
  • 年月日: 20130811-20130816
• [学会発表] 好熱紅色細菌の光捕集反応中心複合体の機能解明と構造解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 于龍江、竹田一旗、平野優、丹羽智美、川上知朗、○大友征宇、三木邦夫
  • 学会等名: 第２１回光合成セミナー
  • 発表場所: 名工大
  • 年月日: 20130706-20130707
• [備考] 大友研ホームページ
  • URL: http://biophys.sci.ibaraki.ac.jp