計画研究
A01: 超分子複合体の静的高分解能構造解析で可視化する環境適応原理
代表者
栗栖 源嗣（大阪大学 蛋白質研究所 教授）
研究分担者
池上貴久（横浜市立大学 生命医科学 教授）
研究分担者
川本晃大（大阪大学 蛋白質研究所 助教）
概要
光合成生物は光化学系IとIIの二つの反応中心を進化させて酸素発生型光合成を獲得しました。その後、生育環境に適応するように集光アンテナと電子伝達反応を進化させています。そこで、系Iの集光色素の構造や配置を高精度で解析し、系IとIIを繋ぐ電子伝達蛋白質との分子間相互作用、さらにアンテナ複合体LHCが系Iと超複合体を形成する部位の構造基盤を明らかにします。加えて情報科学を駆使して“蛋白質を精製できない生物種”の構造も推定し、現代の多様なアンテナ複合体と比較することで環境適応の鍵となる情報を導き出します。
研究キーワード：シアノバクテリア、緑藻、構造解析、X線結晶解析、NMR、クライオ電子顕微鏡
A02: チラコイド膜リモデリング因子の構造に基づく光合成環境適応原理
代表者
坂本 亘（岡山大学 資源植物科学研究所 教授）
研究分担者
小澤真一郎（岡山大学 資源植物科学研究所 助教）
概要
酸素発生型光合成のエネルギー変換反応は、光合成生物だけが持つ「チラコイド膜」上で起こります。チラコイド膜に埋め込まれた超分子複合体は、膜の異なるサブコンパートメントに偏在し光合成の電子伝達反応を最適化しています。A02班では、チラコイド膜がどのようなメカニズムで秩序良く整列され、膜上のサブコンパーメントを最適化させているか、またそれらを可能にする膜リモデリング分子あるいはタンパク質翻訳後修飾の実体について、生理生化学、質量分析、顕微観察などの統合解析により明らかにします。
研究キーワード：葉緑体（プラスチド）、光合成測定、タンパク質精製、質量分析、共焦点レーザー顕微鏡、蛍光タンパク質標識、トモグラフィー解析
A03: 緑色植物光化学系超複合体高次構造と集光機能の環境適応原理
代表者
皆川 純（基礎生物学研究所 教授）
研究分担者
田中亮一（北海道大学 低温科学研究所 教授）
研究分担者
金 恩哲（基礎生物学研究所 助教）
概要
光合成反応は、反応中心とそれを取り囲む集光系が結合した超分子複合体にて行われます。光合成生物はこの超複合体を進化させることで、さまざまな環境に適応してきました。本課題では、進化と環境適応の理解に重要な種の光化学系超複合体の高次構造を”観て” 、その集光機能を”測り”、計算生物物理学、ゲノム進化学、構造情報生物学などの知識を統合して“繋ぐ”ことで、植物の陸上進出、季節変動、環境変動などに対する環境適応原理（光化学系ユビキティ）の解明を目指します。
研究キーワード：緑藻、植物、超複合体、LHC、高次構造、エネルギー伝達、環境適応
A04: レドックスを基盤とした光合成機能スイッチングの環境適応原理
代表者
吉田 啓亮（東京工業大学 准教授）
研究分担者
桶川友季（岡山大学 資源植物科学研究所 助教）
研究分担者
園池公毅（早稲田大学 教育学部 教授）
概要
光合成生物は、酸化還元（レドックス）を基盤としたタンパク質機能スイッチング機構を段階的に獲得し、電子伝達からCO2固定代謝までの光合成反応を幅広く制御することで、多様な光環境に適応してきました。A04班は、このレドックス制御系に注目し、酸化・還元に応じたタンパク質レベルの構造変化がどのように個体レベルの生理機能発現につながるのかを統合的に明らかにします。さらに、システムが構築・洗練されていった進化的経緯を明らかにすることで、光合成の環境適応原理の理解に貢献します。
研究キーワード：レドックス制御、チオレドキシン、電子伝達制御、ストロマ代謝制御、構造機能相関、環境機能相関
A05: 制御系の進化から解き明かす始原的光合成超分子の環境適応原理
代表者
日原 由香子（埼玉大学 理工学研究科 教授）
研究分担者
広瀬 侑（豊橋技術科学大学 応用化学・生命工学系 准教授）
研究分担者
丸山 真一朗（東京大学大学院 新領域創成科学研究科 准教授）
概要
酸素発生型の光合成反応を担うタンパク質超分子は、原核生物であるシアノバクテリアにおいて生まれ、細胞内共生によって真核光合成生物の葉緑体へと受け継がれました。A05班は、シアノバクテリアや原始紅藻の有する始原的な光合成超分子に着目し、それらの構造や機能、環境条件に応じて超分子を創り変える制御系がどのように多様化したのかを明らかにします。これにより、光合成生物があらゆる地球環境への適応を可能とした原理の解明が期待できます。
研究キーワード：シアノバクテリア、原始紅藻、フィコビリソーム、LHC、転写因子、トランスクリプトーム
A06: 光合成超分子複合体の動的構造解析による環境適応原理の解明
代表者
斉藤 圭亮（東京大学 先端科学技術研究センター 准教授）
研究分担者
山本大輔（福岡大学 理学部 教授）
概要
光合成生物は、光環境に応じてエネルギー変換効率を動的に変化させ環境適応できるように光エネルギー変換装置（光化学系超複合体）の構造を高度に進化させてきました。A06班は、分子科学計算と高速AFM観察により光化学系超複合体の光エネルギー変換効率の動的制御機構を解析します。特に、分子内の原子レベルで生じる小さい変化(～Å・～ピコ秒)が、膜の超分子複合体に広がる大きなダイナミクス(～100 nm・～秒)に波及する原理の解明をめざします。
研究キーワード：光保護作用、エネルギー移動、膜泳動、構造ゆらぎ、 原子間力顕微鏡、分子動力学シミュレーション、量子化学計算
A07: 祖先型超分子の機械学習による光合成環境適応戦略の解読
代表者
白井 剛（長浜バイオ大学 バイオサイエンス学部 教授）
研究分担者
嶺井隆平（長浜バイオ大学 バイオサイエンス学部 特任助教）
研究分担者
土屋裕子（産業技術総合研究所 人工知能研究センター 主任研究員）
研究協力者
土方敦司（東京薬科大学）
概要
「光合成クロニクル(年代記)」をデータ化し光合成超分子複合体の環境適応原理を解明することを目的とします。光合成超分子複合体遺伝子の祖先遺伝子配列を推定し、祖先遺伝子配列に基づき光合成超分子複合体の進化モデルを構築します。これらの結果を他の研究班の結果と統合し地質学的気候変動データ (気温・CO2濃度など)と機械学習により照合することで、光合成遺伝子の変異と気候変動の相関を解析し、光合成超分子複合体のユビキティーを実現する環境適応ストラテジーを系統的に推定します。
研究キーワード：祖先型光合成超分子複合体、分子進化、データサイエンス、機械学習