細胞の顕微分光

光化学系Iと光化学系IIがバランスよく光エネルギーを吸収しないと、電子の流れが滞ってしまう不都合が生じる。これを解消するため、二つの光化学系の光吸収のバランスを保つ調節機構が「ステート遷移」と呼ばれる機構。アンテナタンパク質のLHCIIが、二つの光化学系の間を移動することで、ステート遷移が機能すると考えられている。

Light-harvesting Chlorophyll-protein complex II (LHCII)と呼ばれるタンパク質は、吸収した光エネルギーを光化学系に渡すアンテナとして働く。

Y. Fujita, W. Ito, K. Washiyama, Y. Shibata, Imaging of intracellular rearrangement of photosynthetic proteins in Chlamydomonas cells upon state transition, J. Photochem. Photobiol. B, 185, 111-116 (2018). DOI.org/10.1016/j.jphotobiol.2018.05.029 

柴田穣，加藤渉，浪江慶祐, 開口数0.9を持つ極低温顕微鏡の開発, 分光研究, 63巻, 3号, 103-105 (2014). 

Y. Shibata, W. Katoh, T. Chiba, K. Namie, N. Ohnishi, J. Minagawa, H. Nakanishi, T. Noguchi, H. Fukumura, Development of a novel cryogenic microscope with numerical aperture of 0.9 and its application to photosynthesis research, Biochim. Biophys. Acta, 1837, 880-887 (2014) DOI: 10.1016/j.bbabio.2014.03.006. 

色素分子が吸収した光エネルギーを、近くの色素分子へ渡す現象。その速度は、フェルスター機構では距離の6乗に反比例することが理論的に示される。

Y. Fujita, XJ. Zhang, A. M. Ali, S. Ye, Y. Shibata, Accumulation of Quenched LHCII around PSI in Chlamydomonas cells induced to State2 Revealed by the Cryo-Fluorescence Lifetime Imaging, J. Photochem. Photobiol. B. 236, 112584 (2022). DOI.org/10.1016/j.jphotobiol.2022.112584 

試料からの蛍光強度を、励起波長に対してプロットしたものが励起スペクトル。その測定には励起光の波長を掃引する必要があるため、顕微鏡での測定には時間がかかる方式のものが多かった。

0.1 ps程度のパルス幅の非常に短い光パルスをガラス物質に通すと、ラマン散乱が多重に起こるなどして様々な波長に変換されます。しかし、ガラス材料を透過するとパルス幅が広がってしまうことから、変換効率は通常非常に低いです。フォトニック結晶ファイバは、パルス幅が広がらない特殊な構造を持つ光ファイバで、これにパルス光を通すことで高効率で波長変換が実現でき、白色光を得ることができます。

S. Jana, Y. Shibata, Development of a multicolor line-focus microscope for rapid acquisitions of excitation spectra, Biophys. J., 118, 36-43 (2020). DOI: 10.1016/j.bpj.2019.11.023

植物や藻類は、側鎖の構造が異なるChl-aとChl-bを持っています。Chl-bはアンテナタンパク質にのみ結合していることから、Chl-bの葉緑体内分布を調べることでアンテナタンパク質の分布が分かります。ただし、Chl-bは蛍光をほとんど発しないため、蛍光スペクトルによりその分布を観測することは出来ません。

XJ. Zhang, R. Taniguchi, S. Ye, Y. Shibata, Revealing the diversity of light-harvesting antenna of in vivo photosystem I, Plant Physiol. 198 Kiaf207 (2025). https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf207

XJ. Zhang, Y. Fujita, R. Tokutsu, J. Minagawa, S. Ye, Y. Shibata, State transition is quiet around pyrenoid and LHCII phosphorylation is not essential for thylakoid deformation in Chlamydomonas 137c, Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 119, e2122032119 (2022). DOI.org/10.1073/pnas.2122032119

XJ. Zhang, Y. Fujita, R. Tokutsu, J. Minagawa, S. Ye, Y. Shibata, High-Speed Excitation-Spectral Microscopy Uncovers In Situ Rearrangement of Light-Harvesting Apparatus in Chlamydomonas during State Transitions at Submicron Precision, Plant Cell Physiol. 62, 872-882 (2021). DOI.org/10.1093/pcp/pcab047