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2016 Fiscal Year Annual Research Report

結晶構造から解き明かす光合成の光捕集・光電変換とキノン輸送の分子機構

Research Project

Project/Area Number 16H04174
Research InstitutionIbaraki University

Principal Investigator

大友 征宇  茨城大学, 理学部, 教授 (10213612)

Project Period (FY) 2016-04-01 – 2020-03-31
Keywords光合成 / 光捕集 / エネルギー移動 / 光電変換
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、先に決定した紅色光合成細菌由来の光捕集反応中心超分子複合体LH1-RCの結晶構造(Nature 508, 228; 2014)に基づいて、(1)光捕集複合体の吸収挙動と構造安定性を制御する構造要因の特定、(2)キノン輸送機構の解明、(3)反応中心複合体の構造と特性の再検証、(4)膜リン脂質と複合体との間に存在する特異的な相互作用の解明を目的とする。さらに、(5)より高分解能での結晶構造解析を目指す。
本年度は当初の実施計画に沿って、好熱性光合成細菌Tch. tepidum由来のLH1-RC複合体を単離精製する段階から、Ca2+と同族のMg2+、Sr2+、Ba2+やCa2+と同じイオン半径をもつCd2+、荷電数は異なるがほぼ同じイオン半径をもつDy3+を添加し、Ca2+との置換反応を行った。置換されたLH1複合体の近赤外吸収極大はいずれもCa2+のものに比べ、約25nmブルーシフトした。これらの金属置換LH1-RCの内、Sr-LH1-RCとBa-LH1-RCから比較的良質な結晶が得られたため、X線構造解析を行った。予想に反して、LH1中におけるSrとBaの結合部位はCaのものと異なっていたことが判明した。Caの場合LH1-αとβ鎖で構成された二重リングの間にCaイオンが均等に位置し、リンカーとして両リングを架橋して強固な二重リングネットワークを形成しているのに対して、SrとBaの場合内側のαリングのみが架橋され、一重のリング構造を形成していることを突き止めた。この特異な構造によって色素の配向性に変化が生じ、吸収極大がブルーシフトするとともにLH1-RC全体の熱安定性の低下を引き起こしていると考えられる。これらの成果は学会および国際学術誌にて発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本補助金を受ける前から菌体の培養から色素タンパク質複合体の精製、特性評価まで各種予備実験などを行っていたため、本研究課題をスムーズに開始させることができた。期間中、良質な結晶が得られない状態が長く続いたことやX線回折データの解析に予想より時間がかかったことはあったが、協力研究者たちとの努力によって長い年月をかけて取り組んできた金属置換LH1-RCの結晶構造を決定することができた。また、その成果を速やかに学会発表と国際学術論文誌を通して社会に発信することができた。以上のことを総合的に判断した結果、上記の評価とした。

Strategy for Future Research Activity

初年度の成果を踏まえ、今後次の実験を計画している。通常の光合成細菌では、LH1の近赤外領域における吸収極大(Qy遷移)が880nmに位置するのに対して、本研究で用いる好熱性光合成細菌Tch. tepidum由来のLH1はCaの影響で約35nmも長い915nmに吸収極大をもっている。Caイオンに配位するアミノ酸残基の役割と寄与の度合いを調べるために遺伝子工学的手法により変異を導入し、改変することによってQy遷移がどのような挙動を示すのかを検証するとともに、各種変異体の特性評価と構造解析を目的とする。また、現時点では天然型Ca-LH1-RCについて3.0Aの分解能で、金属置換型LH1-RCについて3.3Aの分解能で構造が決定されたが、まだ見えていない配位水と脂質分子および電子密度が明瞭でない末端と運動性の高い部位を特定するために、より高分解能の回折を与える結晶の作製とその構造解析を行う。これらの課題は当初の研究計画で予定されていたもので、特に変更はない。

  • Research Products

    (14 results)

All 2016 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 5 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Structural basis for the unusual Qy red-shift and enhanced thermostability of the LH1 complex from Thermochromatium tepidum2016

    • Author(s)
      Yu, L.-J., Kawakami, T., Kimura, Y., Wang-Otomo, Z.-Y.
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 55 Pages: 6495-6504

    • DOI

      doi:10.1021/bi401033y

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Spectroscopic and Thermodynamic Characterization of the Metal-Binding Sites in the LH1-RC Complex From Thermophilic Photosynthetic Bacterium Thermochromatium tepidum2016

    • Author(s)
      Kimura, Y., Yura, Y., Hayashi, Y., Li, Y., Onoda, M., Yu, L.-J., Wang-Otomo, Z.-Y., Ohno, T.
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. B

      Volume: 120 Pages: 12466-12473

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Bacterial light-harvesting complexes showing giant second-order nonlinear optical response as revealed by hyper-Rayleigh light scattering.2016

    • Author(s)
      Ma, F., Yu, L.-J., Ma, X.-H., Wang, P., Wang-Otomo, Z.-Y. & Zhang, J.-P.
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. B

      Volume: 120 Pages: 9395-9401

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Challenges facing an understanding of the nature of low-energy excited states in photosynthesis2016

    • Author(s)
      Reimers, J. R., Biczysko, M., Bruce, D., Coker, D., Frankcombe, T., Hashimoto, H., Hauer, J., Jankowiak, R., Kramer, T., Linnanto, J., Mamedov, F., M., R, M., Renger, T., Styring, S., Wan, J., Wang, Z., Wang-Otomo, Z.-Y., Weng, Y.-X., Yang, C., Zhang, J.-P., Freiberg, A., and Krausz, E.
    • Journal Title

      Biochim. Biophys. Acta

      Volume: 1857 Pages: 1627-1640

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Temperature dependent LH1→RC energy transfer in purple bacteria Tch. tepidum with shiftable LH1-Qy band: A natural system to investigate thermally activated energy transfer in photosynthesis2016

    • Author(s)
      Ma, F., Yu, L.-J., Wang-Otomo, Z.-Y. & Van Grondelle, R.
    • Journal Title

      Biochim. Biophys. Acta

      Volume: 1857 Pages: 408-414

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Purification and spectroscopic study of the light-harvesting complexes from thermophilic purple bacterium Allochromatium tepidum2016

    • Author(s)
      中村夏紀, 呂淑文, 大越慧, 岡﨑航大,川上知朗, Madigan M. T., 木村行宏, 大友征宇
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会大会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] Structural basis for the metal-ion recognition of the bacterial light-harvesting core complex2016

    • Author(s)
      川上知朗、于龍江、木村行宏、大友征宇
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会大会
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] Crystal structures reveal molecular basis for the bacterial LH1 Qy transition and its thermostability2016

    • Author(s)
      Z.-Y. Wang-Otomo, L.-J. Yu, T. Kawakami, Y. Kimura
    • Organizer
      第17回国際光合成会議
    • Place of Presentation
      MAASTRICHT, THE NETHERLANDS
    • Year and Date
      2016-08-08 – 2016-08-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Characterization of the LH complexes from a new thermophilic purple bacterium Allochromatium tepidum2016

    • Author(s)
      T. Kawakami, N. Nakamura, Y. Kimura, K. Okazaki, A. Ohkoshi, M. T. Madigan, Z.-Y. Wang-Otomo
    • Organizer
      第17回国際光合成会議
    • Place of Presentation
      MAASTRICHT, THE NETHERLANDS
    • Year and Date
      2016-08-08 – 2016-08-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 888 nmにQy遷移をもつ紅色細菌LH1の構造解析2016

    • Author(s)
      于 龍江,川上知朗,木村行宏,大友征宇
    • Organizer
      光合成セミナー2016
    • Place of Presentation
      龍谷大学
    • Year and Date
      2016-07-09 – 2016-07-10
  • [Presentation] 光捕集反応中心におけるキノン分子の輸送機構について2016

    • Author(s)
      川上知朗、于龍江、大友征宇
    • Organizer
      生体分子討論会
    • Place of Presentation
      名古屋大学
    • Year and Date
      2016-06-24 – 2016-06-25
  • [Presentation] 金属イオンがもたらす光捕集反応中心の構造と特性変化2016

    • Author(s)
      川上知朗、于龍江、大友征宇
    • Organizer
      日本光合成学会
    • Place of Presentation
      東京理科大学
    • Year and Date
      2016-05-27 – 2016-05-28
  • [Presentation] 紅色光合成細菌におけるキノン組成の同定2016

    • Author(s)
      吉村未来、木村優花、川上知朗、大友征宇
    • Organizer
      日本光合成学会
    • Place of Presentation
      東京理科大学
    • Year and Date
      2016-05-27 – 2016-05-28
  • [Remarks] http://biophys.sci.ibaraki.ac.jp

URL: 

Published: 2018-01-16  

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