時分割シリアルフェムト秒構造解析法の開発と光化学系II複合体への適用

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 15H01642
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 菅 倫寛 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 助教 (60634920)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2016: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2015: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 光化学系 / X線自由電子レーザー / 膜タンパク質 / 光合成 / X線結晶構造解析 / XFEL / 時分割 / 光化学系II / シリアルフェムト秒結晶学

Outline of Annual Research Achievements

光化学系IIは光駆動の水分子の酸化と酸素分子の発生を担う、分子量70万の巨大な膜タンパク質複合体である。この水分解・酸素発生の反応機構における原子基盤を明らかにすることは、生物の基本現象を明らかにするのみでなく、エネルギー問題や環境問題を解決する可能性があり、人工光合成研究にも大きく貢献することが期待される。
初年度より光化学系IIの水分解の反応の解明をめざし、反応中間体状態を解析可能なX線自由電子レーザーをもちいたシリアルフェムト秒結晶学の開発と光化学系IIのサンプルの条件検討を行ってきた。本年度はサンプルかの回折分解能を大幅に改善する事に成功した。その結果、X線自由電子レーザー施設SACLAを用いて、サイズが100um程度の非凍結の小さな結晶に対し室温にて閃光を二発照射してS3状態へと励起させた回折データを収集して、2.35A分解能で構造解析した。構造解析の結果、S1状態からS3状態への遷移にともない、Mn原子の動きと周辺の配位子の構造変化がみられた。さらにMnクラスターからの水分子を含む水素結合ネットワークが分断されるとともに、酸素発生する触媒部分に新たな水分子に相当する電子密度の挿入が確認された。これにより酸素が発生する直前の構造を明らかにし、この新たな水分子が基質となる反応機構を提唱した。またMnクラスターだけでなく、電子授与体側においても構造変化を確認した。これらの成果は論文発表した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL. (2017)
  • Author(s): Suga, M.†, Akita, F.†, Sugahara, M.†, Kubo, M.†, Nakajima, Y.† et al. (†equal contribution)(38人中1番目)
  • Journal Title: Nature Volume: 543 Issue: 7643 Pages: 131-135
  • DOI: 10.1038/nature21400
  • NAID: 120006344935
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Large-scale QM/MM calculations of the CaMn4O5 cluster in the S3 state of the oxygen evolving complex of photosystem II. Comparison between water-inserted and no water-inserted structures. (2017)
  • Author(s): Shoji M, Isobe H, Nakajima T, Shigeta Y, Suga M, Akita F, Shen JR and *Yamazaki K.
  • Journal Title: Faraday Discussions Volume: 198 Pages: 83-106
  • DOI: 10.1039/c6fd00230g
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2015)
  • Author(s): X. Qin, M. Suga, T. Kuang and J.R. Shen
  • Journal Title: Science Volume: 348 Issue: 6238 Pages: 989-995
  • DOI: 10.1126/science.aab0214
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PsbA3-D1 タンパク質を発現する光化学系II 複合体の結晶構造 (2015)
  • Author(s): 鵜飼奈津美、菅倫寛、杉浦美羽、岩井雅子、池内昌彦、沈建仁
  • Journal Title: 光合成研究 Volume: 25 Pages: 22-27
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X線自由電子レーザーで決定した光化学系II複合体の無損傷結晶構造と水分解反応機構 (2015)
  • Author(s): 菅倫寛、秋田総理、山本雅貴、吾郷日出夫、沈建仁
  • Journal Title: 放射光学会誌 Volume: 28 Pages: 177-181
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光合成蛋白質の構造と機能に関する結晶額的研究 (2017)
  • Author(s): 菅倫寛
  • Organizer: 第58回日本植物生理学会授賞式
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 2017-03-17
  • Invited
• [Presentation] Structure of an intermediate S-state of photosystem II reveled by XFELs (2016)
  • Author(s): Michi Suga
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 2016-11-26
  • Invited
• [Presentation] Structural studies of photosystems (2016)
  • Author(s): Michi Suga
  • Organizer: Finnish-Japanese symposium 2016 Integration of photosynthesis with cellular metabolism: towards suitable biochemistry.
  • Place of Presentation: Saariselkä, Finland
  • Year and Date: 2016-09-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高等植物光化学系I-光捕集アンテナI超複合体におけるエネルギー伝達経路の構造基盤 (2016)
  • Author(s): 菅 倫寛、Xiaochun Qin, Tingyun Kuang, 沈 建仁
  • Organizer: 第７回日本光合成学会年会およびシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2016-05-27
  • Invited
• [Presentation] X線結晶構造解析による光化学系の 構造機能研究のこれまでとこれから (2016)
  • Author(s): 菅倫寛
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 構造を基盤とする蛋白質科学における未解決問題
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 2016-03-01
  • Invited
• [Presentation] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2016)
  • Author(s): M. Suga
  • Organizer: Bridging the gap: from structure to fuctional dynamics of photosynthesis related protein complexes
  • Place of Presentation: 大阪府
  • Year and Date: 2016-02-02
  • Invited
• [Presentation] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2015)
  • Author(s): Suga M, Qin X, Kuang T and Shen JR
  • Organizer: The 13th Conference of the Asican Crystallographic Association (AsCA2015)
  • Place of Presentation: Kolkata, India
  • Year and Date: 2015-12-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution revealed by XFEL pulses (2015)
  • Author(s): M. Suga
  • Organizer: The 13th Conference of the Asican Crystallographic Association (AsCA2015)
  • Place of Presentation: Kolkata, India
  • Year and Date: 2015-12-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution revealed by XFEL pulses (2015)
  • Author(s): M. Suga
  • Organizer: Japan-Korea joint workshop on XFEL sciences
  • Place of Presentation: Gyeongju, Korea
  • Year and Date: 2015-10-22
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高等植物光化学系I-集捕集アンテナI 超複合体におけるエネルギー伝達経路の構造基盤 (2015)
  • Author(s): 菅倫寛，Xiaochun Qin, Tingyun Kuang，沈建仁
  • Organizer: 日本結晶学会2015年度年会
  • Place of Presentation: 大阪府
  • Year and Date: 2015-10-17
• [Presentation] 酸素発生型光合成を司る光化学系II複合体と光化学系I複合体の結晶学的研究 (2015)
  • Author(s): 菅倫寛
  • Organizer: 日本結晶学会進歩賞受賞講演
  • Place of Presentation: 大阪府
  • Year and Date: 2015-10-17
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーによって明らかにされた光化学系II複合体の1.95Å分解能での無損傷構造 (2015)
  • Author(s): 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • Organizer: 日本生物物理学会若手招待講演
  • Place of Presentation: 石川県
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Invited
• [Presentation] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution (2015)
  • Author(s): M. Suga, F. Akita, K. Hirata, G. Ueno, H. Murakami, Y. Nakajima, T. Shimizu, K.Yamashita, M. Yamamoto, H. Ago and J.-R. Shen
  • Organizer: 37th International Free Electron Laser Conference (FEL2015)
  • Place of Presentation: Daejeon, Korea
  • Year and Date: 2015-08-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Radiation damage free structure of photosystem II in the S1 state at 1.95 Å resolution (2015)
  • Author(s): M. Suga, F. Akita, K. Hirata, G. Ueno, H. Murakami, Y. Nakajima, T. Shimizu, K.Yamashita, M. Yamamoto, H. Ago and J.-R. Shen
  • Organizer: Gordon Research Conference on Photosynthesis
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2015-07-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フェムト秒X線レーザーを用いた光化学系II複合体の1.95Å分解能での無損傷結晶構造解析 (2015)
  • Author(s): 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • Organizer: 日本蛋白質科学会若手奨励賞シンポジウム
  • Place of Presentation: 徳島県
  • Year and Date: 2015-06-24
  • Invited
• [Presentation] Radiation damage free structure of oxygen evolving photosystem II at 1.95Å resolution revealed by X-ray Free Electron Laser (2015)
  • Author(s): 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • Organizer: 第6回日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 岡山県
  • Year and Date: 2015-05-22
• [Remarks] 光化学系IIの構造解析についてプレス発表(日経,朝日,読売,毎日,山陽新聞などで紹介）
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id448.html
• [Remarks] 光合成光化学系Ｉ複合体の構造を解明～光エネルギーの高効率利用に前進
  • URL: http://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id303.html