光合成複合体間の電子伝達における構造基盤の解明

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
• 研究課題/領域番号: 20H05086
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 大友 征宇 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10213612)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 光合成 / 電子伝達 / 光電変換

研究実績の概要

本研究は、天然光合成の初期過程における集光・電荷分離と電子移動間の連係プレイ(Interplay)に関するものである。これらの素機能を担う光捕集複合体LH1、反応中心RC、水溶性電子伝達タンパク質HiPIPと膜内チトクロム(Cyt) bc1を研究対象とし、LH1-RC、HiPIPとCyt bc1からなる光捕集・電荷分離・電子伝達の３機能を併せもつ超分子複合体の共結晶化と構造解析を行い、これらの複合体間において機能調節を司る相互作用の構造基盤の解明を目指す。
本年度は好熱性光合成細菌Thermochromatium (Tch.) tepidum由来でHiPIPと光捕集反応中心複合体LH-RCからなる電子伝達複合体の共結晶構造を決定し、詳細な電子伝達経路を原子レベルで解析した。共結晶の構造に基づいて疎水性相互作用部位の特徴とFe-Sクラスターからスペシャルペアまでの電子伝達経路を調べたところ、電子伝達複合体の形成に伴う顕著な構造変化は両タンパク質の接触界面に限られ、特にheme-1はより歪んだコンフォメーションをとっていることがわかった。電子伝達経路について、電子は4Fe-4SクラスターのS1から出発し、S1→Leu63(HiPIP)→heme-1→heme-2→heme-4→heme-3→Tyr171(RC L-subunit)→Special pair (RC)の順に到達する経路が最適であることが明らかになった。この成果は国際学術誌（Nature Communications 12, 1104; 2021）に掲載された。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal structure of a photosynthetic LH1-RC in complex with its electron donor HiPIP (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawakami Tomoaki、Yu Long-Jiang、Liang Tai、Okazaki Koudai、Madigan Michael T.、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1104
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21397-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A previously unrecognized membrane protein in the Rhodobacter sphaeroides LH1-RC photocomplex (2021)
  • 著者名/発表者名: Tani Kazutoshi、Nagashima Kenji V. P.、Kanno Ryo、Kawamura Saki、Kikuchi Riku、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 6300
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26561-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photosynthetic Growth and Energy Conversion in an Engineered Phototroph Containing Thermochromatium tepidum Light-Harvesting Complex 1 and the Rhodobacter sphaeroides Reaction Center Complex (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagashima Kenji V. P.、Nagashima Sakiko、Kitashima Masaharu、Inoue Kazuhito、Madigan Michael T.、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 60 ページ: 2685～2690
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.1c00462
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cryo-EM Structure of the Photosynthetic LH1-RC Complex from Rhodospirillum rubrum (2021)
  • 著者名/発表者名: Tani Kazutoshi、Kanno Ryo、Ji Xuan-Cheng、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 60 ページ: 2483～2491
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.1c00360
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrostatic charge controls the lowest LH1 Qy transition energy in the triply extremophilic purple phototrophic bacterium, Halorhodospira halochloris (2021)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yukihiro、Nojima Shingo、Nakata Kazuna、Yamashita Takuya、Wang Xiang-Ping、Takenaka Shinji、Akimoto Seiji、Kobayashi Masayuki、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu、Yu Long-Jiang
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 ページ: 148473～148473
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2021.148473
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Circular dichroism and resonance Raman spectroscopies of bacteriochlorophyll b-containing LH1-RC complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Kimura Y.、Yamashita T.、Seto R.、Imanishi M.、Honda M.、Nakagawa S.、Saga Y.、Takenaka S.、Yu L.-J.、Madigan M. T.、Wang-Otomo Z.-Y.
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 148 ページ: 77～86
  • DOI: 10.1007/s11120-021-00831-5
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 紅色細菌の昇温培養に対するカロテノイド生合成系の調節 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大友征宇
  • 学会等名: 光合成セミナー2021