近赤外光応答型光合成エネルギー変換を担うキノン-キノール輸送機構の解明

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: 20H05101
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 木村 行宏 神戸大学, 農学研究科, 准教授 (20321755)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2022-03-31
• キーワード: 紅色光合成細菌 / 光捕集１反応中心複合体 / キノン輸送

研究実績の概要

本研究では紅色細菌由来のLH1-RC、キノン、脂質を用いて光合成膜を再構成する手法を確立し、様々な組み合わせで再構成した膜について、キノン還元からキノール輸送に至るキノン動態をモニタリングすることにより、膜内部におけるキノン動態の直接的な実験的証拠を得ること、ならびにキノン-タンパク質間相互作用やキノン-脂質間相互作用を検証することにより、キノン-キノール輸送経路およびその分子機構を明らかにすることを目的とした。具体的には、(1) 天然および人工再構成膜調製法の確立、(2) 光合成膜およびLH1-RCにおけるキノール生成の検出、(3) 天然再構成膜、人工再構成膜におけるキノール生成の検出、(4) 再構成膜系キノール生成における同位体置換、キノン置換、脂質置換の効果、(5) ATR-FTIRおよびHPLCを用いた遊離キノールの検出、(6) 形状の異なるLH1-RCを用いた比較研究について検討してきた。
本年度は(3)、(4)の人工再構成膜の系について重点的に研究を進めた。主要構成脂質であるCardiolipin、Phosphatidylglycerol、Phosphatidylethanolamine、Phosphatidylcholineを用いた人工膜の再構成条件を最適化し、光誘起赤外分光法によるキノン・キノール由来の信号検出に成功した。(5)については遊離キノンが検出されなかったことから、LH1-RCのキノン輸送において膜脂質の重要性が示唆された。(6)については、C字型のLH1、キノン輸送関連タンパク質であるPuf XやProtein Uを有するRba. sphaeroidesを用いて測定を行なった結果、キノンの還元に対するC字型リング形状、Puf XやProtein U欠損の効果はほとんど見られなかったが、キノンの拡散輸送に対する効果について現在も検証を進めている。

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

• [国際共同研究] Southern Illinois University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Southern Illinois University
• [国際共同研究] Photosynthesis Research Center(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Photosynthesis Research Center
• [雑誌論文] Salt- and pH-Dependent Thermal Stability of Photocomplexes from Extremophilic Bacteriochlorophyll b-Containing Halorhodospira Species (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yukihiro、Nakata Kazuna、Nojima Shingo、Takenaka Shinji、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 10 ページ: 959～959
  • DOI: 10.3390/microorganisms10050959
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Ca2+-binding motif underlies the unusual properties of certain photosynthetic bacterial core light-harvesting complexes (2022)
  • 著者名/発表者名: Tani Kazutoshi、Kobayashi Kazumi、Hosogi Naoki、Ji Xuan-Cheng、Nagashima Sakiko、Nagashima Kenji V.P.、Izumida Airi、Inoue Kazuhito、Tsukatani Yusuke、Kanno Ryo、Hall Malgorzata、Yu Long-Jiang、Ishikawa Isamu、Okura Yoshihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Kimura Yukihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: - ページ: 101967～101967
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.101967
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Identification of metal-sensitive structural changes in the Ca²⁺-binding photocomplex from <i>Thermochromatium tepidum</i> by isotope-edited vibrational spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yukihiro、Imanishi Michie、Li Yong、Yura Yuki、Ohno Takashi、Saga Yoshitaka、Madigan Michael T.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 156 ページ: 105101～105101
  • DOI: 10.1063/5.0075600
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Asymmetric structure of the native Rhodobacter sphaeroides dimeric LH1?RC complex (2022)
  • 著者名/発表者名: Tani Kazutoshi、Kanno Ryo、Kikuchi Riku、Kawamura Saki、Nagashima Kenji V. P.、Hall Malgorzata、Takahashi Ai、Yu Long-Jiang、Kimura Yukihiro、Madigan Michael T.、Mizoguchi Akira、Humbel Bruno M.、Wang-Otomo Zheng-Yu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 1904
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29453-8
  • 査読あり / 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 / 国際共著
• [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 / 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] Photosynthetic Growth and Energy Conversion in an Engineered Phototroph Containing <i>Thermochromatium tepidum</i> Light-Harvesting Complex 1 and the <i>Rhodobacter sphaeroides</i> 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] Spectral Properties of Chlorophyll <i>f</i> in the B800 Cavity of Light‐harvesting Complex 2 from the Purple Photosynthetic Bacterium <i>Rhodoblastus acidophilus</i> (2021)
  • 著者名/発表者名: Saga Yoshitaka、Tanaka Aiko、Yamashita Madoka、Shinoda Toshiyuki、Tomo Tatsuya、Kimura Yukihiro
  • 雑誌名: Photochemistry and Photobiology 巻: 98 ページ: 169～174
  • DOI: 10.1111/php.13491
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cryo-EM Structure of the Photosynthetic LH1-RC Complex from <i>Rhodospirillum rubrum</i> (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] 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] 紅色光合成細菌の光捕集タンパク質LH2へ再構成したホルミル基含有クロロフィルのスペクトル特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中愛子, 山下眞花, 篠田稔行, 鞆達也, 木村行宏, 佐賀佳央
  • 学会等名: 第15回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] 紅色光合成細菌Thermochromatium tepidumのLH2タンパク質に結合するB800バクテリオクロロフィルaの選択的酸化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平尾遥奈, 木村行宏, 大友征宇, 佐賀佳央
  • 学会等名: 第15回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] 紅色光合成細菌のキノン輸送におけるリン脂質の寄与 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中元陽介, 岸利華子, 竹中慎治, 大友征宇, 木村行宏
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] 3つの好極限性を有する紅色光合成細菌Halorhodospira halochlorisの特性解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中田和菜, 能島紳吾, 山下琢也, 秋本誠志, 小林正幸, 竹中慎治, Madigan, M.T, 大友征宇, 木村行宏
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] カロテノイド生合成系の調節による紅色細菌の熱耐性への適応 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林拓己, 高市真一, 木村行宏, 大友征宇
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] LH2タンパク質のB800部位へのクロロフィルb/d/fの再構成：分光特性とタンパク質との相互作用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平尾遥奈, 井城ひなた, 淺川雅, 近藤政晴, 出羽毅久, 木村行宏, 大友征宇, 佐賀佳央
  • 学会等名: 第28回光合成セミナー：反応中心と色素系の多様性
• [学会発表] Oxidation of B800 Bacteriochlorophyll a in LH2 Protein from the Purple Photosynthetic Bacterium Thermochromatium tepidum (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirao, H, Kimura, Y, Wang-Otomo, Z-.Y. Saga
  • 学会等名: SNCPP21
  • 国際学会
• [学会発表] 紅色光合成細菌のLH12タンパク質へのホルミル基を有するクロロフィルの再構成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中愛子, 山下眞花, 篠田稔行, 木村行宏, 鞆達也, 佐賀佳央
  • 学会等名: 第47回生体分子科学討論会
• [備考] 神戸大学大学院農学研究科微生物資源化学研究室ホームページ
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/ans-bpc/
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0140338
• [備考] ResearchGate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Yukihiro-Kimura-2