光捕集アンテナにおける励起エネルギー移動の分子論的機構の理論的解明

光捕获天线激发能量转移分子机制的理论阐明

• 批准号: 25888020
• 负责人: 東 雅大
• 金额: $ 1.58万
• 依托单位: University of the Ryukyus
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-08-30 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-25888020/
• 关键词: 理論化学; 光捕集アンテナ; 励起エネルギー移動; MDシミュレーション; FMOタンパク; EETダイナミクス

光合成反応で重要な光捕集アンテナと呼ばれるタンパク質は、内部に含まれる色素で吸収した光エネルギーを励起エネルギー移動(EET)の形で高速・高効率に活性中心に伝達することが知られている。EETの反応速度は励起エネルギーの揺らぎが小さ過ぎても大き過ぎても低下するが、光捕集アンテナではEETの反応速度が最大になるように励起エネルギーの揺らぎが最適化されている。しかし、生体分子の微細な構造や揺らぎがどのように高速・高効率なEETを制御しているか全く明らかになっていない。そこで本研究では、分子レベルで励起エネルギーの揺らぎを解析するために、色素の励起エネルギーを高精度・低コストに計算可能な手法(MMSIC法)を開発した。MMSIC法では、分子力場と修正Shepard内挿法を組み合わせることで、色素の基底状態と励起状態を表すポテンシャル関数を高精度・低コストに生成する。修正Shepard内挿法を色素の構造だけでなく、色素にかかる静電ポテンシャルにも適用することで、周囲の生体分子の揺らぎの影響も取り込む。MMSIC法により必要な量子化学計算の計算コストを大幅に削減し、様々な構造で励起エネルギーを効率的に計算可能となる。このMMSIC法を光捕集アンテナの1つであるFenna-Matthews-Olsonタンパク中の色素バクテリオクロロフィル aに適用した。MMSIC法により励起状態のポテンシャルエネルギーの計算を精度を保ったまま約100万倍加速することに成功しただけでなく、シミュレーションにより得られた励起エネルギーの揺らぎを表すSpectral Densityは実験から得られたものとよく一致した。また、EETダイナミクスに重要なSpectral Densityの低振動数部分がほぼ色素の分子内振動によるものと明らかにした。

Photosynthetic anti 応 で important な light capture ア ン テ ナ と shout ば れ る タ ン パ ク qualitative は, internal に ま れ る pigment で suction 収 し た light エ ネ ル ギ ー を wound up エ ネ ル ギ ー mobile (EET) の form で high-speed, high rate of unseen に activity center に 伝 da す る こ と が know ら れ て い る. EET の anti 応 speed は wound up エ ネ ル ギ ー の 揺 ら ぎ が small さ ぎ て も big き ぎ too て も low す る が, optical trap ア ン テ ナ で は EET の 応 speed が the biggest に な る よ う に wound up エ ネ ル ギ ー の 揺 ら ぎ が optimization さ れ て い る. Superfine molecular の な し か し, body structure や 揺 ら ぎ が ど の よ う に high-speed, high rate of unseen な EET を suppression し て い る か く Ming all ら か に な っ て い な い. そ こ で this study で は, molecular レ ベ ル で wound up エ ネ ル ギ ー の 揺 ら ぎ を parsing す る た め に, pigment の wound up エ ネ ル ギ ー を high precision, low コ ス ト に computing may な technique (MMSIC method) を open 発 し た. MMSIC method で は, molecular force field と correction within the Shepard scions method を group み close わ せ る こ と で, pigment の basal state と excitation state を table す ポ テ ン シ ャ ル masato number を high precision, low コ ス ト に generated す る. Correction within the Shepard scions method を pigment の tectonic だ け で な く, pigment に か か る electrostatic ポ テ ン シ ャ ル に も applicable す る こ と で, zhou 囲 の raw body molecular の 揺 ら ぎ の influence も take り 込 む. MMSIC method に よ り な quantum chemical calculation の calculation necessary コ ス ト を に sharply cut し, others 々 な tectonic で wound up エ ネ ル ギ ー を unseen に calculation could と な る. こ の MMSIC method を light capture ア ン テ ナ の 1 つ で あ る Fenna Matthews - Olson タ ン パ ク の pigment in バ ク テ リ オ ク ロ ロ フ ィ ル a に applicable し た. MMSIC method に よ り excitation state の ポ テ ン シ ャ ル エ ネ ル ギ ー の calculation precision を を bartender っ た ま about 1 million times the acceleration す ま る こ と に successful し た だ け で な く, シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り have ら れ た wound up エ ネ ル ギ ー の 揺 ら ぎ を table す Spectral Density た experiment ら gives られた とよく とよく とよく consistent た た. ま た, EET ダ イ ナ ミ ク ス に important な Spectral Density の low vibration part number が ほ ぼ pigment の intramolecular vibration に よ る も の と Ming ら か に し た.

项目成果

Toward Quantitative Understanding of Excited-State Reaction Dynamics in Solution and Proteins

定量理解溶液和蛋白质中的激发态反应动力学

• 发表时间: 2014
• 作者: 正宗淳;Masahiro Higashi
• 通讯作者: Masahiro Higashi

Theoretical Studies on Excitation Energy Fluctuations of Pigments in a Light-Harvesting Complex

光捕获复合体中颜料激发能量波动的理论研究

• 发表时间: 2014
• 作者: Abolfazl Mehbodniya;Fumiyuki Adachi;Masahiro Higashi
• 通讯作者: Masahiro Higashi

溶液中のバクテリオクロロフィルaの励起状態に関する理論的研究

溶液中细菌叶绿素a激发态的理论研究

• 发表时间: 2013
• 作者: 東 雅大;小杉 貴洋;林 重彦;斉藤 真司
• 通讯作者: 斉藤 真司

Direct Simulations of Excited-State Reactions in Solution and Protein

溶液和蛋白质中激发态反应的直接模拟

• 发表时间: 2014
• 作者: Keisuke Asano,* Yukihiro Fukata;and Seijiro Matsubara*;関雄太，宮本慎太郎，皆川浩，久田真，早坂洋平;Masahiro Higashi
• 通讯作者: Masahiro Higashi

凝縮相における励起状態反応ダイナミクスの分子論的理解を目指して

旨在从分子角度理解凝聚相中的激发态反应动力学

• 发表时间: 2014
• 作者: Ken-ichi Sakaguchi;Takuya Kamimura;Hidemitsu Uno;Shigeki Mori;Shuwa Ozako;Hirofumi Nobukuni;Masatoshi Ishida and Fumito Tani;東 雅大
• 通讯作者: 東 雅大