2020 Fiscal Year Research-status Report
Experimental and theoretical survey of diverse far-red O2-evolving photosynthesis
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20K06684
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
伊藤 繁 名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (40108634)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 明洋 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (20345846)
井原 邦夫 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 准教授 (90223297)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光合成 / 近赤外光 / 環境適応 / 光エネルギー利用 / 励起エネルギー移動理論 / クロロフィル / タンパク質構造決定 / シアノバクテリア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来、植物とシアノバクテリアの酸素発生光合成では、クロロフィルa(Chl a)の吸収する青ー赤の700nm以下の可視光を使い、光合成細菌の嫌気光合成ではBchl a (バクテリオクロロフィルa)が吸収する800nm以上の近赤外（FR）光を主に使うとされてきた。しかし、本申請の主題である「FR－O2型光合成」が、海中、土壌表層、生物下層など可視光が少ない環境中の生物で近年見つかった. 近赤外LEDの普及でによる FR光培養がが大きく貢献した。
本研究では、クロロフィルdを使うシアノバクテリア種・アカリオクロリスの740nm光を利用できるPSIの構造を、低温電子線回折で明らかにした。反応中心クロロフィルP740もChl d-2量体であることを示し、FR光合成のメカニズムの研究に新たな基礎を与えた。この構造を使い理論解析をすすめつつある。
さらに別のクロロフィルfをつかいFR－O2光合成をするシアノバクテリアの検討を進めた。現在Chlf型10種 、Chl d型アカリオ属7株、red-Chl a型南極コケ１種を調べ。FR－O2型光合成の多様性・共通性を検討している。
FR－O2光合成とは別に、シアノPSI(96Chl aをもつ)と似たタンパク質上にBChl-gを30分子もつヘリオバクテリアの非02-反応中心（hRC）の研究を行った。分担者木村と共同でhRC上の色素相互作用の量子理論モデルを構築し、超高速エネルギー移動過程を再現した（2018）。さらに、hRC上のBChl-gをChl-aで置き換えPSI型とするようなin silicoでの進化の理論実験を開始した（ 2019、2021）。これを応用して、近赤外O2発生型光合成系の検討をすすめ、人工光合成系の開発にも利用する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1)新型のクロロフィル（クロロフィルd）を持つシアノバクテリア・Acaryochloris種の光化学系I反応中心複合体の分子構造決定を行った（論文１）。(2)同系統ともいえる、より原始的なヘリオバクテリアのI型反応中心上のクロロフィル集団上での励起エネルギーを移動の理論解析を進めた（論文２）。(3)さらに原始的で、色素種も数も異なるな緑色硫黄細菌のI型反応中心の理論解析を始めた。この系については遺伝子操作で色素を一部取り除いた際の効果の分光実験を終えており、理論解析と合わせて発展が期待される。(4) 構造決定したAcaryochlorisのPSI上での色素配置、色素とタンパク質との相互作用の理論解析を行い、エネルギーの流れ方を解析している。(4)他のFar-red光合成系についても蛍光寿命測定などで検討をすすめている。
本年度は、関連論文２編、学会発表を５件を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、近赤外(far-red)酸素発生光合成系の特製理解のため、理論家との共同研究を精力的に進めている。クロロフィル分子の相互配置・相互作用により生じる励起子状態群のシミュレーション計算と、個別クロロフィルの結合部位毎にタンパク質環境が作り出す部位エネルギー（site energy）値の理論計算をPSI及び、2018年初めて構造が明らかにされたヘリオバクテリアのI型反応中心（近赤外型色素バクテリオクロロフィルgをもつ）で進めた。これを発展させ、光合成反応中心上で色素の種類、配置を変える際の光捕集やエネルギー移動への影響をin silicoで理論評価する方法を開発しつつある。さらに緑色硫黄細菌細菌のより原始的な反応中心の検討を行う。量子論で、環境応答や、進化にともなう光合成系反応中心複合体構造と特性変化を予測し、光合成の進化、適応の理解を進めたい。生物現象の中でも、物理過程・原理が支配的な光合成系は、進化や適応の検討に適したモデルであるので期待がもてる。
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| Causes of Carryover |
当該年度は新型コロナ感染症の対策のため、実験研究施設への出入りが大きく制限され、学会などへの実質参加もなくなった。このため研究の主要部分を次年度以降に予定していた理論研究にあてた。これに伴い週１回以上名大の２研究室と神戸大１研究室をつなぐon line検討会をおこなったが、この経費は名古屋大学理学研究科に拠出している間接経費などでまかなわれた。このため次年度への繰り越し額が生じた。実際には現在未計上の、申請者が借用している研究室の使用料金が次年度の直接経費から支払われる予定である。繰り越し額は、コロナの状況にもあわせて順次当初研究計画に従い使用予定である。
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