Theoretical analysis of primary processes in diverse photosynthetic reaction centers

不同光合反应中心初级过程的理论分析

• 批准号: 20K03880
• 负责人: 木村 明洋
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K03880/
• 关键词: 光合成; 反応中心; 励起移動; 電子移動; 進化

多様な光合成生物の光合成反応中心(RC)が持つ、光捕集/電荷分離反応はどのような関係にあり、 進化の過程でどのように機能的差異を生じてきたのかを生物物理学的に解明することを目的としている。緑色硫黄細菌が持つI型反応中心(GsbRC)は赤外光を利用して非酸素発生型光合成反応を起こす始原的な反応中心の候補と考えられている。しかし、その立体構造が未解明だったため、光捕集機構の理論的解明が困難であった。本年度は、GsbRCの構造情報が最近解明されたため、その光学特性及び光捕集機構の解明を行った。一方、多様なI型RCへと進化分化する際に共通して機能的に重要な色素を見定めるため、天然のGsbRCと共に、遺伝子操作を行ったGsbRCの光学特性が実験的に測定されている。そこで、これらの光学的特性を理論的に比較することで、多様なI型反応中心の機能的特性を調べた。Poisson-TrESP法による励起子結合強度計算とCharge Density Coupling (CDC)法によるサイトエネルギー計算を実行し、天然のGsbRCの励起子モデルとその遺伝子操作したモデルを作成した。天然のGsbRCの光学的特性を再現出来る励起子モデルから、光捕集過程の実験結果を再現した。そこで、遺伝子操作したGsbRCによる光学特性の天然GsbRCからの変化の物理的原因を調査した。 その結果、 GsbRCの遺伝子操作において、各色素および配位しているアミノ酸の静電環境が複雑に相互作用していることを明らかにした。これは、遺伝子操作による実験を行う際には、除去される色素だけでなくその周辺の静電環境と立体配置を考慮する必要があることを意味する。これは、多様なI型RCにおける一次構造で共通しているアミノ酸に配位している機能的に重要な色素とともに、その周辺で相互作用している色素も光捕集において重要である可能性を明らかにした。

Photosynthetic reaction centers (RC) of diverse photosynthetic organisms are involved in the relationship between phototrapping/charge separation reactions and functional differences in evolutionary processes. The green sulfur bacteria GsbRC type I reactor center (GsbRC) utilizes sunlight to initiate non-acid-producing photosynthetic reactors, and is a candidate for the original GsbRC. It is difficult to explain the theory of light trapping mechanism. This year, the structural information of GSBC is updated, and the optical characteristics and light trapping mechanism are analyzed. The determination of the optical properties of GsBRC is carried out in the context of the evolution and differentiation of single and multiple type I RC. Comparison of optical properties of these two types of materials and their functional properties Poisson-TrESP method is used to calculate the excitation strength and Charge Density Coupling (CDC) method is used to calculate the excitation strength of natural GSRC. The optical properties of natural GsBRC are reproduced. To investigate the physical reasons for the optical properties of natural GsBRC and the transformation of natural GsBRC. As a result, GsBRC molecules operate in a complex environment where the pigments and ligands interact. This means that the operation of the electron is necessary to remove the pigment and to consider the electrostatic environment of the periphery. The first order structure of this type of RC is common, and the function of acid coordination is important. The possibility of pigment and light capture is obvious.

项目成果

緑色硫黄細菌 I 型反応中心の励起状態の理論計算と主要 BChl-a 除去実験

绿硫细菌I型反应中心激发态的理论计算及主要BChl-a去除实验

• 发表时间: 2022
• 作者: 伊藤繁;木村明洋;鬼頭宏任;浅井智広;大岡宏造
• 通讯作者: 大岡宏造

クロロフィル d を使い近赤外光を利用するシアノバクテリア Acaryochloris marina の PSI 反応中心の理 論モデルとクロロフィル交換モデルの作成

利用叶绿素 d 创建 PSI 反应中心的理论模型和利用近红外光的蓝藻 Acaryocholis 码头的叶绿素交换模型

• 发表时间: 2022
• 作者: 木村明洋;鬼頭宏任;青田俊道;浜口祐;米倉功治;川上恵典;新沢-伊藤恭子;井上-菓子野名津子;伊福健太郎;菓子野康浩;山下栄樹;伊藤繁
• 通讯作者: 伊藤繁

Theoretical Model of the Far-Red-Light-Adapted Photosystem I Reaction Center of Cyanobacterium <i>Acaryochloris marina</i> Using Chlorophyll <i>d</i> and the Effect of Chlorophyll Exchange

利用叶绿素<i>d</i>构建蓝藻<i>Acaryocholis marina</i>远红光适应光系统I反应中心的理论模型及叶绿素交换效应

• DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c00869
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry B
• 作者: Kimura Akihiro;Kitoh-Nishioka Hirotaka;Aota Toshimichi;Hamaguchi Tasuku;Yonekura Koji;Kawakami Keisuke;Shinzawa-Itoh Kyoko;Inoue-Kashino Natsuko;Ifuku Kentaro;Yamashita Eiki;Kashino Yasuhiro;Itoh Shigeru
• 通讯作者: Itoh Shigeru

遠赤色光に適応した光化学系Iの光捕集におけるChlorophyll-fとRed-Chlorophyllの役割に関する理論的研究

叶绿素-f和红叶绿素在适应远红光的光系统I集光中作用的理论研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 中村有花;大河内幹仁;伊藤 繁;木村明洋
• 通讯作者: 木村明洋

異なる色素種をもつ多様な光化学系I型反応中心上での励起エネルギー移動機構の理論的研究

不同色素种类的I型光系统反应中心激发能量传递机制的理论研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 中村有花;下岡渉;鬼頭宏任;伊藤繁;木村明洋
• 通讯作者: 木村明洋