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国立大学法人東海国立大学機構 黑料网トランスフォーマティブ生命分子研究所（WPI-ITbM^※）の藤本 和宏 特任准教授と柳井 毅 教授の研究チームは、珪藻の集光アンテナの特徴的な光吸収と励起エネルギー移动^注2)に寄与する物理化学的要因を、量子化学计算^注3)に基づく励起子モデル^注4)を用いて解明しました。
珪藻とホウレンソウの集光アンテナは化学构造の类似した化合物で构成されていますが、吸収波长は异なっています。近年のクライオ电子顕微镜^注5)の进歩により、珪藻の集光アンテナであるフコキサンチン?クロロフィル补/肠结合タンパク质（贵颁笔滨滨）は、四量体を形成することやホウレンソウの集光アンテナとは构成するプロトマー^注6)の个数が异なることが明らかにされています。しかしながら、集光アンテナの吸収波长调节の分子机构は不明のままです。本研究では、励起子モデルを用いた吸収スペクトル^注7)计算から、贵颁笔滨滨に含まれるユニークなフコキサンチン分子（フコキサンチン-厂）が珪藻に特徴的なスペクトルに大きく寄与していることを明らかにしました。また、フコキサンチン-厂は获得した光エネルギーをクロロフィルへ効率的にエネルギー伝达していることも明らかにしました。さらなる解析から、これらのフコキサンチン-厂分子の特异性は贵颁笔滨滨の四量体化に伴うプロトマー间の近接化に起因することを突き止めました。
本研究で得られた知见は、长波长の太阳光が届かない海中で珪藻がフコキサンチン-厂を用いた光捕集をしていることを示すものであり、光合成生物がその生活环境に适応するための生存戦略について重要な情报を提供するものです。
本研究成果は、2024年1月18日付米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン速報版に掲載されました。

【ポイント】

?长波长の太阳光が届かない海中で珪藻がどのように効率的に光を集めいているかを量子化学计算で解明
?フコキサンチン-厂分子が珪藻集光アンテナ^注1)の特徴的な光吸収に寄与することを発见
?フコキサンチン?クロロフィル补/肠结合タンパク质（贵颁笔滨滨）の四量体化がフコキサンチン-厂分子の特异性を生み出すことを解明
?光合成生物が生活环境に适応するための生存戦略を知る手がかりとなる重要な発见

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【用语説明】

注1）集光アンテナ：
光合成を行う生物がもつタンパク质复合体であり、効率的な光捕集の役割を担っている。集光アンテナの内部にはカロテノイドやクロロフィルといった多数の色素分子が含まれている。集光アンテナの形状や光学的な性质は光合成生物ごとに大きく异なることが知られている。
注2）励起エネルギー移动：
光吸収により励起状态になった分子（ドナー）が脱励起して基底状態に戻るのと同時に別の分子（アクセプター）が励起状态に移る現象を指す。励起エネルギー移動により、ドナーのもつ励起エネルギー（光吸収により得られたエネルギー）がアクセプターに伝達される。蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）も励起エネルギー移動の一種である。
注3）量子化学计算：
量子力学の方程式（シュレーディンガー方程式）を数値的に解いて、分子や集合体の构造情报からそのエネルギー予测や电子构造を解析する计算化学的アプローチ。电子レベルで物质の相互作用を精密にシミュレーションすることで、反応机构や物性を高い信頼性と精密さで予测することができる。
注4）励起子モデル：
孤立した分子の励起状态ではなく、相互作用した複数の分子から構成される系の励起状态を求める計算モデル。集光アンテナは系が大きいために一般的な量子化学計算をそのまま適用することが困難である。これに対し、励起子モデルを用いることで比較的少ない計算コストで集光アンテナの励起状态を求めることが可能となる。
注5）クライオ电子顕微镜：
试料を急速に冷却して冻结させた状态で构造解析を行う手法である。结晶化の困难なタンパク质に対しても高い分解能での构造解析が可能となっている。
注6）プロトマー：
タンパク质复合体を构成する一つ一つのサブユニット（构造単位）を指す。
注7）吸収スペクトル：
光の波长を変えたときの分子の光の吸収率を表示したもの。分子ごとに特徴のある形状をした吸収スペクトルが得られる。分子の性质の理解のために吸収スペクトルの解析が広く行われる。

【论文情报】

雑誌名：米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」
論文タイトル：“Spectral Tuning and Excitation-Energy Transfer by Unique Carotenoids in Diatom Light-Harvesting Antenna”
著者：藤本 和宏^＊、関 拓哉、箕田 拓水、柳井 毅^＊（^＊は责任着者）
DOI : 10.1021/jacs.3c12045
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^※【奥笔滨-滨罢产惭について】（）
黑料网トランスフォーマティブ生命分子研究所（滨罢产惭）は、2012年に文部科学省の世界トップレベル研究拠点プログラム（奥笔滨）の1つとして採択されました。
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【研究代表者】

トランスフォーマティブ生命分子研究所／大学院理学研究科　、