[논문 리뷰] Roles of pigment arrangement in light-harvesting phycobiliproteins revealed by recombinant techniques combined with two-dimensional electronic spectroscopy

Masaaki Tsubouchi, Takatoshi Fujita외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 28.

Photosynthetic Processes and Mechanisms인용 수 0

한 줄 요약

연구는 재조합 빛색소단백질과 2차원 전자 분광학을 이용해 색소 기여를 분리하고, 색소-단백질 상호작용이 단일 말단 색소가 아니라 주된 ultrafast 에너지 이완 및 코히어런스를 형성한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We developed methods for protein synthesis and performed two-dimensional electronic spectroscopy (2D-ES) to examine the influence of pigment arrangement on the photoexcitation dynamics of light-harvesting proteins in phycobilisome. We synthesized allophycocyanin (APC), C-phycocyanin (CPC), and mutant CPC lacking the \b{eta}153 phycocyanobilin (PCB) pigment by an Escherichia coli expression system. The number of pigments in the mutant CPC is identical to that in the wild-type APC, and their spatial arrangements are similar. The absorption and fluorescence spectra of the mutant CPC closely resemble those of the wild-type CPC rather than the wild-type APC, indicating that pigment spatial arrangement is not a primary factor in determining the excited-state energy structure. The 2D-ES measurements show that the wild-type CPC retains broad positive signals at 1 ps, signifying incomplete relaxation and persistence of excited vibronic states, unlike APC, which vibrationally relaxes to the bottom of the potential energy surface within the same timeframe. The mutant CPC behaves similarly to the wild-type CPC in the 2D-ES, reinforcing that the pigment number or arrangement is not a dominant factor. Instead, the local pigment-protein interaction governs the electronic structure and relaxation dynamics. Structural analysis reveals that the bent structure of PCB in CPC's α-chain versus the planar structure of PCB in APC. The bent PCB in CPC reduces the degree of π-conjugation, and exhibits excited-state properties distinct from those of the planar structure of PCB in APC. This finding highlights a critical role of the electronic structure governed by the local interaction in ultrafast energy relaxation.

연구 동기 및 목표

• 빛 수확 색소단백질에서 색소 배열이 초단극적 여하의 흥분 다이나믹에 미치는 영향을 규명한다.
• β153 PCB를 결손한 CPC 변종을 사용하여 말단 색소의 기여를 분리한다.
• 다이나믹스 변화가 색소-색소 간 excitonic coupling에 의한지, 아니면 색소-단백질 상호작용 때문인지 평가한다.
• 에너지 이완과 코히어런스에서 APC 대 CPC의 역할과 국부 단백질 환경의 역할을 명확히 한다.

제안 방법

• 재조합 알로포사이오카민(APC)과 C-피코시아난(CPC)을 엔지니어링하고, β153 PCB 결핍 CPC 변종을 포함한다.
• 흡수 및 형광 스펙트럼을 기록해 스펙트럼 기여도와 색소 간 excitonic coupling를 평가한다.
• 2차원 전자 분광법(2D-ES)을 적용해 초단시간 이완 및 코히어런스 다이나믹스를 연구한다.
• 야생형 CPC, β153 결손 CPC, APC를 비교해 색소 특이적 효과를 색소-단백질 상호작용과 분리한다.
• 색소 기하학, 바이브로닉 구조, 국소 단백질 환경의 관점에서 다이나믹스를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 β153 파이코시아노빌린 색소의 CPC에서의 스펙트럼 및 동역학적 기여는 무엇인가?
• RQ2 초단시간 이완 다이나믹스의 변화가 색소-색소 간 excitonic coupling 때문인지, 색소-단백질 상호작용 때문인지?
• RQ3 APC와 CPC가 국소 단백질 환경에 의해 에너지 이완 및 코히어런스에서 어떻게 다른가?
• RQ4 색소-단백질 상호작용이 색소 기하학 및 바이브로닉 구조를 얼마나 조절하여 에너지 이완을 제어하는가?

주요 결과

• β153 색소의 제거는 주로 그 스펙트럼 기여를 제거하지만 α84와 β84 색소 간의 excitonic coupling에는 큰 변화를 주지 않는다.
• 시간 해상도 2D-ES는 야생형 CPC와 β153 결손 CPC 사이에 유사한 초단시간 다이나믹스를 보인다.
• APC와 CPC 간의 차이는 주로 색소-단백질 상호작용으로 인해 색소 기하학 및 바이브로닉 구조가 조절되어 나타난다.
• 이러한 광합성 단백질에서 국소 단백질 환경은 에너지 이완 및 코히어런스를 제어하는 데 결정적으로 중요하다.