量子輸送ネットワーク解析により光合成を担うクロロフィルの組成の意義が明らかに~「効率よりも安全」植物が選んだ戦略とは~

ad

2025-06-20 基礎生物学研究所,分子科学研究所,東京大学

量子輸送ネットワーク解析により光合成を担うクロロフィルの組成の意義が明らかに~「効率よりも安全」植物が選んだ戦略とは~

自然科学研究機構と東京大学などの国際共同研究チームは、量子輸送ネットワーク解析という新手法を用いて、LHCII(集光アンテナ複合体)内のクロロフィルa・bの比率と配置が持つ戦略的意義を明らかにしました。光化学系IIと結合したPSII-LHCII超複合体の分子構造をネットワーク化し、量子ダイナミクス計算によりエネルギー伝達の動態を可視化。解析の結果、クロロフィルaとbの共存配置は、単に光合成効率を向上させるだけでなく、強光下での光防御機能(過剰光による損傷を回避)を両立する「安全性」も担保する構造であることが示されました。これは植物が進化の過程で「効率と安全性の両方」を選択してきた証拠といえます。本研究は2025年5月に『Science Advances』に掲載され、人工光合成や光応答材料への展開にも貢献すると期待されます。

<関連情報>

光化学系IIがクロロフィルaとbの両方を利用する理由を量子動力学によるネットワーク解析で解明 Network analysis with quantum dynamics clarifies why photosystem II exploits both chlorophyll a and b

Eunchul Kim, Daekyung Lee, Souichi Sakamoto, Ju-Yeon Jo, […] , and Heetae Kim
Science Advances  Published:9 May 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.ads0327

Abstract

In green plants, chlorophyll a and chlorophyll b are the predominant pigments bound to light-harvesting proteins. While the individual characteristics of these chlorophylls are well understood, the advantages of their coexistence remain unclear. In this study, we establish a method to simulate excitation energy transfer within the entire photosystem II supercomplex by using network analysis integrated with quantum dynamic calculations. We then investigate the effects of the coexistence of chlorophyll a and chlorophyll b by comparing various chlorophyll compositions. Our results reveal that the natural chlorophyll composition allows the excited energy to preferentially flow through specific domains that act as safety valves, preventing downstream overflow. Our findings suggest that the light-harvesting proteins in a photosystem II supercomplex achieve evolutionary advantages with the natural chlorophyll a/b ratio, capturing light energy efficiently and safely across various light intensities. Using our framework, one can better understand how green plants harvest light energy and adapt to changing environmental conditions.

生物化学工学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました