Excitation energy transfer between monomeric bacterioclorophylls in reaction centers of P-less mutant of purple photosynthetic bacteria

技術要約：P欠損変異型反応中心における単量体バクテリオクロロフィルの励起エネルギー移動

問題提起
紫色細菌の光合成反応中心（RC）には、構造的に対称なA枝およびB枝に位置する、2つのアクセサリー単量体バクテリオクロロフィル（BChl）、すなわち$B_A$および$B_B$が含まれている。主要な電子移動経路はA枝に沿って行われることが確立されているが、$B_A$と$B_B$モノマー間のエネルギー移動の性質については、まだ十分に理解されていない。天然のRCでは、スペシャルペア・ダイマー（$P$）の存在と急速な電荷分離（$<200$ fs）が、アクセサリーBChl間の初期段階のダイナミクスを単独で抽出することを困難にしている。酸化されたRC（$P$が$P^+$に酸化された状態）を用いた先行研究では、$B_A$から$B_B$へのエネルギー移動が示唆されていたが、$P^+$が媒介する可能性や、天然系における電荷分離ダイナミクスの複雑さが、明確な解釈を妨げていた。$B_A$と$B_B$の間のエネルギー移動の具体的なメカニズム、速度、および可逆性を判断するために、$P$が存在しない条件下での調査が必要である。これは、RCが励起が非局在化した単一の「スーパー分子」として機能しているかどうかを決定するためである。

方法論
本研究では、フェムト秒ポンプ・プローブ差分吸収分光法を用いて、Rb. sphaeroidesの変異株（VR(L157)）由来のRCにおける励起状態の初期ダイナミクスを調査した。この変異体では、バリンが残基L157においてアルギニンに置換されることで、$P$ダイマーが欠損している。この改変により、アクセサリーBChlの励起状態（$B^*$）の寿命が約850 psまで延長され、電荷分離を除去することで、電子移動の干渉を受けることなく純粋な励起ダイナミクスを観察することが可能となった。

• 実験セットアップ: 40 fsのレーザーパルスを用い、BChlの$Q_y$吸収帯（780–820 nm）に合わせた時間分解差分吸収スペクトル（$\Delta A$）を測定した。実験は室温（295 K）および極低温（77 K）で行われた。
• 励起戦略: 準選択的な励起を実現するために、ポンプ波長を以下のように変化させた：
  • $\lambda_{pump} \approx 785$ nm: 主に$B_A$を励起（$B_A$ 約70%、$B_B$ 約30%）。
  • $\lambda_{pump} \approx 815\text{-}820$ nm: 主に$B_B$を励起（$B_A$ 約25%、$B_B$ 約75%）。
  • $\lambda_{pump} \approx 796$ nm: $B_A$と$B_B$をほぼ等しく励起。
• 解析: 得られた$\Delta A$スペクトルに対し、Glotaranプログラムを用いたグローバル解析を行い、減衰関連差分スペクトル（DADS）および時定数を抽出した。動力学モデリングは、温度依存的なスペクトル重なり積分を考慮するためにフォルスター理論を取り入れた、$B_A^*$と$B_B^*$の間の可逆的なエネルギー移動を記述する微分方程式系を用いて行われた。

主な結果

1. スペクトルのシフト: 励起後、$\Delta A$スペクトルは、負の極大値（ブリーチング／誘導放出バンド）の位置において約300 fs以内に急速にシフトした。

   • レッドシフト: $B_A$が主に励起された場合（$\lambda_{pump} = 785$ nm）、スペクトルはレッド側にシフトした。このシフトの大きさは温度依存的であり、295 Kで約1.5 nm、77 Kで約2.5 nmであった。
   • ブルーシフト: $B_B$が主に励起された場合（$\lambda_{pump} = 815$ nm）、295 Kにおいてスペクトルは$\le$ 1 nmのブルーシフトを示した。77 Kでは、このブルーシフトは見られなかった。
   • 時定数: グローバル解析により、これらのスペクトルシフトは約100 fsの時定数（77 Kで104 fs、295 Kで98 fs）で発生することが明らかになった。

2. 振動: 77 Kにおいて、キネティック・フィットの残差に、周期約340 fsの弱い（振幅約2%）減衰振動が検出された。これらの振動のフーリエ変換は90–102 cm$^{-1}$の周波数を示し、これは$B_A$と$B_B$のエネルギー差または特定の振動モードに対応している。これらの振動は295 Kでは観察されなかった。

3. 動力学モデリング: 可逆的なエネルギー移動（$B_A^* \leftrightarrow B_B^*$）を仮定したモデルは、実験データを良好に再現した。

   • 前方移動速度（$k_1, B_A \to B_B$）は、ほぼ温度に依存しないことが算出された（295 Kで $\sim 1/134$ fs、77 Kで $\sim 1/128$ fs）。
   • 後方移動速度（$k_2, B_B \to B_A$）は、低温で著しく減少した（295 Kで $\sim 1/363$ fs、77 Kで $\sim 1/562$ fs）。
   • 前方速度と後方速度の比（$k_1/k_2$）は、295 Kで2.7、77 Kで4.4であった。この比率が、スペクトルの非対称性を説明している。すなわち、支配的な前方移動が$B_A$励起時のレッドシフトを引き起こし、顕著な後方移動が$B_B$励起時のブルーシフトを制限している。

意義と主張
著者らは、観察された急速なスペクトルシフトと導出された動力学パラメータが、$B_A$と$B_B$モノマー間の密接な相互作用と可逆的なエネルギー移動の直接的な証拠であることを主張している。本研究は、RC色素タンパク質複合体が、サブピコ秒の時間スケールで励起が非局在化する単一の「スーパー分子」であるという概念を支持している。

主な結論は以下の通りである：

• $B_A$と$B_B$の間の高いエネルギー移動速度（~100 fs）は、電子・フォノン相互作用エネルギーに匹敵する強い電子結合を示している。
• メカニズムには、従来のエネルギー移動と内部変換（エキシトン緩和）の組み合わせが含まれており、混合状態の形成またはモノマーの部分的な二量体化によって促進されている可能性がある。
• 変異体における$P$ダイマーの欠如により、これらのダイナミクスを明確に観察することが可能となり、励起エネルギーの急速な非局在化がアクセサリーBChlの固有の特性であることが確認された。
• この急速な非局在化は、強光条件下での個々の色素の「オーバーパンピング」およびそれに続く損傷を防ぐ保護機能を果たしている可能性がある。

論文では、キネティックモデルがデータを説明しているものの、特定の物理的メカニズム（例：コヒーレンスの程度か、あるいは不コヒーレントなホッピングか）を完全に解明するためには、既知のRC構造に基づく厳密な理論的モデリングが必要であると控えめに述べている。