Elucidation of the electronic structure of carotenoids in light-harvesting antenna systems for highly efficient energy transfer

阐明用于高效能量传输的光捕获天线系统中类胡萝卜素的电子结构

基本信息

批准号：
20J10152
负责人：
行平奈央
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kwansei Gakuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

これまでの研究により，紅色光合成細菌由来の光捕集色素タンパク質複合体（LH1複合体）に分子内電荷移動励起（ICT）励起状態を発現可能であるフコキサンチンの導入を実現した。さらにカロテノイドのICT励起状態と励起エネルギー伝達効率の関係を調査するため，高等植物由来でICT励起状態を発現するβ-apo-8’-carotenalをLH1複合体へ再構成を行った。界面活性剤の濃度を適切に調節することでリング状のLH1複合体へ再構成することに成功し，定常蛍光・蛍光励起スペクトル測定よりβapoからバクテリオクロロフィルa (BChl a)への励起エネルギー伝達が確認できた。。さらに，吸収スペクトルと蛍光励起スペクトルを比較し，β-apo-8’-carotenalからBchl aへの励起エネルギー伝達効率を算出したところ80%であり，紅色光合成細菌Rhodospirillum rubrum 由来のLH1複合体において，励起エネルギー伝達効率が最も高効率であることが示唆された。さらに，βapoの緩和過程に関する情報を詳細に得ることのできる近赤外および可視領域でのフェムト秒時間分解吸収分光測定を行った。βapoを再構成したLH1は，近赤外領域にバクテリオクロロフィルのQyに由来する過渡吸収信号を示すことから，βapoからBChl aへの一重項励起エネルギー伝達が行われていることが確認できた。また，βapoのS1/ICT状態に由来する過渡吸収が見られることから，再構成LH1複合体中のβapoでもICT状態が発現することが明らかとなった。さらに，測定結果に対してターゲット解析を行い，再構成LH1複合体中のβ-apo-8’-carotenalからの励起エネルギー伝達過程も示唆した。

先前的研究已经实现了岩藻磺蛋白硫素的引入，岩藻磺蛋白素可以将分子内电荷转移激发（ICT）表达为源自红色光合细菌的光捕获染料蛋白复合物（LH1复合物）。此外，为了研究类胡萝卜素的ICT激发态与激发能量转移效率的关系，从较高的植物中得出并表达ICT激发态的β-apo-8'-核酸含量被重新构成LH1复合物。通过适当调整表面活性剂的浓度，我们成功地重构为环形LH1复合物，并通过稳态荧光和荧光激发光谱，确认激发能量从βAPO到细菌氯植物a（BCHL A）的转移。。此外，通过比较吸收光谱和荧光激发光谱，将激发能量转移从β-APO-8'-偶然性转移到BCHL A到BCHL A的效率为80％，这表明激发能量传递效率在LH1复合物中是从LH1复合物中最高的。此外，在近红外且可见的区域中进行了飞秒时间分辨的吸收光谱，其中可以详细获取有关βapo弛豫过程的信息。从βAPO重建的LH1表现出源自近红外区域细菌氯苯酚QY的瞬时吸收信号，并证实将单重激发能从βAPO转移到BCHL a。此外，观察到了βapo的S1/ICT状态得出的瞬时吸收，并揭示了ICT状态在重构的LH1复合物中也在βAPO中表达了ICT状态。此外，对测量结果进行了目标分析，这表明在重建的LH1复合物中，激发能量转移的过程从β-Apo-8'-核糖岩中进行。

项目成果

期刊论文数量（5）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

紅色光合成細菌 Rsp. rubrum のLH1 複合体へのβ-apo-8’-carotenalの再構成

将 β-apo-8’-胡萝卜素重建到紫色光合细菌 Rsp 的 LH1 复合物中。

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Hiroto Yamashita;Tomoki Uchida;Yasuno Tanaka;Hideyuki Katai;Atsushi J Nagano;Akio Morita;Takashi Ikka;行平奈央
通讯作者：
行平奈央

Photoprotective mechanisms in the core LH1 antenna pigment-protein complex from the purple photosynthetic bacterium, Rhodospirillum rubrum

紫色光合细菌红色红螺菌核心 LH1 天线色素-蛋白质复合物的光保护机制

DOI：
10.1016/j.jphotochem.2020.112628
发表时间：
2020
期刊：
Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry
影响因子：
0
作者：
Chiasa Uragami;Hiroki Sato;NaoYukihira;MasazumiFujiwara;Daisuke Kosumi;Alastair T.Gardiner;Richard J.Cogdell;Hideki Hashimoto
通讯作者：
Hideki Hashimoto

Carotenoids: Biological functions of carotenoids and apocarotenoids in natural and artificial systems, “Chapter 1: Ultrafast laser spectroscopic studies on carotenoids in solution and on those bound to photosynthetic pigment-protein complexes”

类胡萝卜素：类胡萝卜素和类胡萝卜素在天然和人工系统中的生物学功能，“第一章：溶液中类胡萝卜素以及与光合色素-蛋白质复合物结合的类胡萝卜素的超快激光光谱研究”

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Hideki Hashimoto;Chiasa Uragami;Nao Yukihira;Kota Horiuchi;Richard J. Cogdell
通讯作者：
Richard J. Cogdell

Synthesis of Allene-containing Apocarotenoids by Cross-coupling Strategy

交叉偶联策略合成含丙二烯的类胡萝卜素

DOI：
10.1055/s-0040-1707906
发表时间：
2020
期刊：
Synthesis
影响因子：
0
作者：
K. Sakaguchi;Y. Nishioka;N. Kinashi;N. Yukihira;T. Shinada;T. Nishimura;H. Hashimoto;S. Katsumura
通讯作者：
S. Katsumura

Reconstitution of carotenoids into the reaction center from the purple photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides using the chromatophores of the carotenoidless strain R26.1

使用无类胡萝卜素菌株 R26.1 的色素细胞将类胡萝卜素从紫色光合细菌球形红杆菌中重建到反应中心

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
Carotenoid Science
影响因子：
0
作者：
Mitarai Mayu; Yoshida Marina;Yukihira Nao;Uragami Chiasa;Horiuchi Kota;Gardiner Alastair T.;Cogdell Richard J.;Hashimoto Hideki
通讯作者：
Hashimoto Hideki