最新の研究成果

ポイント

◇EPR分光法^※1を用い、ミルの三重項励起状態^※2を解析。

◇シフォネインは、クロロフィルaの余分な励起エネルギーを受け取り、効率よく放出することで、エネルギーの過剰を防ぐ仕組みを持つことが明らかに。

概要

光合成生物が太陽光を効率よく化学反応に使う仕組みを解明するためには、類似のタンパク質で色素の構造や配置のみが異なる光合成アンテナについて、精密構造と光応答の実験データを蓄積することが極めて重要です。

大阪公立大学人工光合成研究センターの藤井 律子准教授と大阪大学蛋白質研究所の関 荘一郎特任研究員（常勤）、イタリア パドバ大学のAlessandro Agostiniテニュアトラック博士研究員らの研究グループは、EPR分光法を用い、ホウレンソウと海藻ミルの光合成アンテナを解析。ホウレンソウではクロロフィルの三重項励起状態が微弱ながら観測されるのに対し、ミルでは観測されず、カロテノイドによる消光効率が極めて高いことが示されました。また、T-S法^※3の併用により、クロロフィルaの励起状態からカロテノイドの三重項状態へのエネルギー移動が明確に関連づけられました。三重項エネルギー移動は色素間の配置に敏感であり、クライオ電子顕微鏡法^※4による構造解析とDFT（密度汎関数法）^※5法によるシミュレーションの結果、消光^※6はシフォネインによって高効率に行われていることが判明しました。今後、消光効率を上げるカロテノイドの分子構造の特徴がより明らかになり、最終的には光合成アンテナを最適化する色素の分子設計が可能になると期待されます。

本研究成果は、2025年10月15日に国際学術誌「Cell Reports Physical Science」に掲載されました。

図1　左）海藻ミル（海松、Codium fragile）の光合成アンテナ（Cf-LHCII）の構造。L1サイトでは、密集しているクロロフィル（Chl a610〜a612、緑色）の近くにシフォネイン（Sn、橙色）が結合している。右）1.8 Kの極低温で測定したマイクロ波誘起三重項-一重項差（T-S）スペクトル。シフォネインの三重項励起状態がクロロフィルの一重項励起状態から生じていることを直接示している。

2022年に海藻ミルのLHCIIの高分解能構造の論文を発表した直後にAgostiniさんから熱いメッセージを受けたのが研究を始めたきっかけです。太陽光を利用する仕組みは、色素同士のエネルギーのやり取りにかかっており、精密な構造と精密な光応答の検出、そしてこれらを結びつける量子化学計算が合わさって初めて明らかになります。今回、価値観を共有する良いチームを作ることができ、研究に国境がないことを実感しました。

藤井 律子准教授

私たちのCf-LHCIIに関する研究は、構造解析、分光学、理論の専門知識を組み合わせることで、多くの新しい発見につながりました。あまり知られていない種類の生物の光合成は、まだ解明されていないことがたくさんあります。今回の研究では、光合成緑藻が持つアンテナ構造に、非常に優れた光の保護機能があることが明らかになりました。

Dr. Alessandro Agostini

掲載誌情報

【発表雑誌】Cell Reports Physical Science
【論 文 名】Siphonein enables an effective photoprotective triplet quenching mechanism in green algal light-harvesting complexes
【著　者】Alessandro Agostini*, Soichiro Seki, Andrea Calcinoni, Lopa Paul, Agostino Migliore*, Ritsuko Fujii*, Donatella Carbonera
【掲載URL】https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102873

用語解説

※1　 EPR分光法：（Electron Paramagnetic Resonance, 電子常磁性共鳴法）。ESRとも呼ぶ。磁場中に置かれた不対電子がマイクロ波を吸収して励起する原理を利用し、ラジカルの種類や量を測定する手法。一重項状態には応答しないため、三重項状態だけを特異的に検出できるが、信号は基本微弱で、熱雑音を排除するため通常低温で行われる。今回は特に1.8 Kという極低温での計測も行った。
※2　三重項励起状態：電子がペアを作らずに、同じ向きのスピンで別々の軌道にいる、通常より高いエネルギーの状態のこと。
※3　T-S法：三重項状態と一重項状態の吸収差を示すスペクトルを取り出すことにより、特定の三重項状態の光学的性質を高感度に、また明確に分離する観測方法。
※4　クライオ電子顕微鏡法：タンパク質等の立体構造を同定する手法。極低温で凍結させたサンプルの電子顕微鏡画像を取得し、その重ね合わせから立体構造を決定できる。
※5　DFT法（密度汎関数法）：量子力学に基づいた計算方法で、分子や原子の中で電子がどう分布しているかを計算し、エネルギーや構造を予測する方法。今回は、構造に基づいてEPRのシグナルを予測、シミュレーションすることにより、どの構造でこのシグナルが得られたかを同定するのに用いた。
※6　消光：光として放出されるはずのエネルギーを熱などに変えて安全に逃す仕組み。これにより、過剰なエネルギーによる損傷から生体が守られる。

資金情報

本研究は、2022年度大阪公立大学RESPECT研究助成、科研費基盤研究C（23K05721）、科研費学術変革公募研究（光合成ユビキティ）（24H02091）の支援を受けて実施しました。あわせて、イタリア大学・研究省（MUR）による国家復興・強靱化計画（NRRP/PNRR）に基づく欧州連合「NextGenerationEU」資金（プロジェクト番号：20224HJWMH、CUP：B53D23015880006／C53D23004620006）、PRIN 2022（2022H8LE9P）、パドバ大学P-DiSC 2025、Chemical Complexity C2プロジェクトの支援も受けました。

用語解説

[1] ホウレンソウのLHCIIについて初めて色素がはっきりわかる分解能で構造を明らかにした論文でこれまでに1500以上の被引用数を持つ。（Liu et al., Nature 428:287–292, 2004）
[2] 緑藻のLHCIIについて初めて色素がはっきりわかる分解能で構造を明らかにした本研究グループの論文。（Seki et al., BBA Advances, 2:100064, 2022）
本学プレスリリースhttps://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-03405.html

研究内容に関する問い合わせ先

大阪公立大学人工光合成研究センター／
大学院理学研究科
藤井 律子（ふじい りつこ）
TEL：06-6605-3624
E-mail：ritsuko[at]omu.ac.jp
※[at]を@に変更してください。

報道に関する問い合わせ先

大阪公立大学 広報課
担当：橋本
TEL：06-6967-1834
E-mail：koho-list[at]ml.omu.ac.jp
※[at]を@に変更してください。