光合成膜タンパク質のフェムト秒時間分解能での構造ダイナミクス

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 17H05884
• 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, 准教授 (60634920)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2018: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2017: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 光化学系 / X線自由電子レーザー / ダイナミクス / 膜タンパク質 / 光合成 / シリアルフェムト秒 / 量子ビーム / Ｘ線自由電子レーザー / 構造ダイナミクス / X線結晶構造解析

Outline of Annual Research Achievements

光化学系IIは光駆動の水分子の分解反応とそれに伴う分子状酸素の発生を行う，分子量70万にもおよぶ巨大な膜タンパク質複合体である。本研究では光化学系IIを中心とする巨大な光合成膜タンパク質複合体を対象として、光による励起後の構造変化をフェムト秒時間分解能で明らかにすることを目指している。研究代表者らはとくに光化学系II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を目的としてX線自由電子レーザーを用いた構造解析を行ってきた。これまでに反応開始状態に相当するS1状態および反応中間体に相当するS3状態を構造解析することに成功したので、この研究基盤を用いて光励起後の時間経過に伴う構造変化を捉えることを試みている。H30年度は結晶サンプルの調製方法を改良し大型化することで比較的簡便に結晶サンプルを供給する方法を確立することをめざした。なお、結晶化されたサンプルの観察およびその品質を迅速に評価する方法が必要であることを実感したので、新たに結晶観察装置などを購入した。最終的に，4点の多点測定が可能な量の結晶サンプルが供給できるようになったが，この方法で調製した結晶サンプルは分解能および同型性ともに従来の方法と比べて良くないことが判明している。従って，サンプルの供給方法は継続して改善する必要がある。研究課題は最終年度ではあるが，これからも根気強く精製スケールの大型化と回折データの改善を行って詳細な構造解析を完結させ、反応機構の詳細を明らかにして論文発表したい。さらに本研究課題で開発された構造解析手法を今後は他の光合成膜タンパク質にもこの手法を適用して構造解析を行うことを予定している。本年度は他の光合成膜タンパク質の一つであるFCPタンパク質の精製，結晶化，構造解析に成功したのでこれを論文発表した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chinese Academy of Science(中国)
• [Int'l Joint Research] フランス国立科学研究センター(フランス)
• [Journal Article] Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms (2019)
  • Author(s): Wang Wenda、Yu Long-Jiang、Xu Caizhe、Tomizaki Takashi、Zhao Songhao、Umena Yasufumi、Chen Xiaobo、Qin Xiaochun、Xin Yueyong、Suga Michihiro、Han Guangye、Kuang Tingyun、Shen Jian-Ren
  • Journal Title: Science Volume: 363 Issue: 6427
  • DOI: 10.1126/science.aav0365
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thylakoid membrane lipid sulfoquinovosyl-diacylglycerol (SQDG) is required for full functioning of photosystem II in Thermosynechococcus elongatus (2018)
  • Author(s): Nakajima, Y., Umena, Y., Nagao, R., Endo, K., Kobayashi, K., Akita, F., Suga, M., Wada, H., Noguchi, T., Shen, J.-R.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 293 Issue: 38 Pages: 14786-14797
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.004304
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fourier Transform Infrared Analysis of the S-State Cycle of Water Oxidation in the Microcrystals of Photosystem II (2018)
  • Author(s): Kato Yuki、Akita Fusamichi、Nakajima Yoshiki、Suga Michihiro、Umena Yasufumi、Shen Jian-Ren、Noguchi Takumi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 9 Issue: 9 Pages: 2121-2126
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00638
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Crystal structure and redox properties of a novel cyanobacterial heme protein with a His/Cys heme axial ligation and a Per-Arnt-Sim (PAS)-like domain (2017)
  • Author(s): Motomura Taiki、Suga Michihiro、Hienerwadel Rainer、Nakagawa Akiko、Lai Thanh-Lan、Nitschke Wolfgang、Kuma Takahiro、Sugiura Miwa、Boussac Alain、Shen Jian-Ren
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 292 Issue: 23 Pages: 9599-9612
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.746263
  • NAID: 120006473741
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 光合成光化学系IIの反応中間体の結晶構造と酸素発生反応機構 (2018)
  • Author(s): 菅倫寛, 沈建仁
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] Structure of oxygen evolving photosystem II and possible mechanism for the O=O bond formation. (2018)
  • Author(s): Michi Suga
  • Organizer: SACLA Users’ meeting 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structure of oxygen evolving photosystem II and possible mechanism for the O=O bond formation (2018)
  • Author(s): Michi Suga, Jian-Ren Shen
  • Organizer: The 56th annual meeting of the biophysical society of Japan
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの光励起した反応中間体構造および水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • Author(s): 菅 倫寛，秋田総理，菅原道泰，久保 稔，中島芳樹，岩田 想，沈 建仁
  • Organizer: 第17回日本蛋白質科学会
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • Author(s): 菅 倫寛
  • Organizer: 分子研研究会
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの光励起した反応中間体構造および水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • Author(s): 菅 倫寛，秋田総理，菅原道泰，久保 稔，中島芳樹，岩田 想，沈 建仁
  • Organizer: ConBio2017
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • Author(s): 菅 倫寛，沈 建仁
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第43回討論会
  • Invited