光合成マンガンクラスターに酸素発生機能をもたらす基本原理の抽出と検証

• Project Area: Creation of novel light energy conversion system through elucidation of the molecular mechanism of photosynthesis and its artificial design in terms of time and space
• Project/Area Number: 20H05103
• 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: 磯部 寛 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任准教授 (00379281)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 光化学系II / 酸素発生中心 / マンガンクラスター / アミノ酸残基 / 機能発現

Outline of Research at the Start

近年のＸ線自由電子レーザーを用いた時間分解構造解析技術の進展は目覚ましく、我々が予想もしなかった結果が次々と発表されている。例えば、光化学系II 複合体のS2 → S3遷移において、酸素発生中心周辺の水和量が増加すると同時に、アミノ酸残基の配向構造変化が起こり、新たな基質水分子がMnクラスターに結合することが報告されている。本研究は、このようなアミノ酸残基の経時的な配向構造変化とMnクラスターの触媒作用の関連性を、密度汎関数法を用いた理論的アプローチにより明らかにすることを目的とする。この研究により、Mnクラスターの機能発現を引き起こすトリガーとしてのアミノ酸配位子の役割を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

光合成Mnクラスターによる水分解・酸素発生反応の過電圧が極めて低いのは何故か？本研究では、理論的な方向からこの疑問に答え、その原理を普遍的な法則あるいは概念として構築することを目指した。その結果、正電荷（ホール）を３つ蓄積したMnクラスターの３次元空間配置がアミノ酸配位子により緻密に制御されることで自発的に発現する協同現象が本質的な役割を果たす（つまり、多電子反応の活性化エネルギーと再配置エネルギーの両方を減少させる）ことが見出された。協同効果が発現する上で重要な要素を５つ挙げると、以下のようになる。①共有結合性：基質水分子が結合したMnクラスターでは、Mnのeg軌道とO2の反結合性σ*又はπ*軌道の重なりを最大化する結合様式をとるため、電子が金属と基質間で容易に移動できる。②非局所応答性：基質由来の電子がMn(IV)のeg軌道に入ることによって生じる自発的なJahn－Teller局所歪を介して、３つのサイトが相互に絡み合う結果、クラスター全体にある特別な構造変化（open－closed cubane間の構造変化）が誘起される。③スイッチング機能：open及びclosed cubane構造はMnの価数分布（4443と3444）と一対一に対応しているが、その対応関係はMn(IV)配位不飽和サイトに結合した基質が脱プロトン化することで反転する。その結果、基質が適切な形態で結合した後でのみ非局所応答が起こり、構造変化に伴う金属の電荷状態変化を金属と基質間の３電子移動に高効率で変換できるようになる。④アミノ酸残基の経時的構造変化：時間の経過に伴って表れるアミノ酸残基の動的な構造変化は、open及びclosed cubane構造の安定性を相対的に変化させることで、触媒反応を誘導する駆動力を生み出している。⑤「歪んだ椅子」型構造：①－④を可能にしているのは、触媒の「歪んだ椅子」型構造に他ならない。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Relative energies among proton-shifted S2 isomers in the photosystem II revealed by DLPNO coupled cluster and hybrid DFT calculations. Proton transfer coupled spin transitions of the CaMn4Ox cluster in OEC of PSII (2022)
  • Author(s): Miyagawa Koichi、Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Kawakami Takashi、Nakajima Takahito、Yamaguchi Kizashi
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 790 Pages: 139357-139357
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139357
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A three states model for hydrogen abstraction reactions with the cytochrome P450 compound I is revisited. Isolobal and isospin analogy among Fe(IV)=O, O?=?O and O (2021)
  • Author(s): Miyagawa Koichi、Isobe Hiroshi、Shoji Mitsuo、Kawakami Takashi、Yamanaka Shusuke、Yamaguchi Kizashi
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 405 Pages: 112902-112902
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112902
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploring reaction pathways for the structural rearrangements of the Mn cluster induced by water binding in the S3 state of the oxygen evolving complex of photosystem II (2021)
  • Author(s): Isobe Hiroshi、Shoji Mitsuo、Suzuki Takayoshi、Shen Jian-Ren、Yamaguchi Kizashi
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 405 Pages: 112905-112905
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112905
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Relative stability among intermediate structures in S2 state of CaMn4O5 cluster in PSII by using hybrid-DFT and DLPNO-CC methods and evaluation of magnetic interactions between Mn ions (2021)
  • Author(s): Miyagawa K.、Kawakami T.、Suzuki Y.、Isobe H.、Shoji M.、Yamanaka S.、Okumura M.、Nakajima T.、Yamaguchi K.
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 405 Pages: 112923-112923
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112923
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theory of chemical bonds in metalloenzymes XXIV electronic and spin structures of FeMoco and Fe-S clusters by classical and quantum computing (2020)
  • Author(s): Miyagawa Koichi、Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Yamanaka Shusuke、Kawakami Takashi、Okumura Mitsutaka、Yamaguchi Kizashi
  • Journal Title: Molecular Physics Volume: 118 Issue: 21-22 Pages: 1760388-1760388
  • DOI: 10.1080/00268976.2020.1760388
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of broken-symmetry (BS) methods in chemical reactions. A theoretical view of water oxidation in photosystem II and related systems (2020)
  • Author(s): Yamaguchi Kizashi、Isobe Hiroshi、Shoji Mitsuo、Miyagawa Koichi、Yamanaka Shusuke、Kawakami Takashi、Nakajima Takahito
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 402 Pages: 112791-112791
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112791
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic and spin structures of CaMn4Ox clusters in the S0 state of the oxygen evolving complex of photosystem II. Domain-based local pair natural orbital (DLPNO) coupled-cluster (CC) calculations using optimized geometries and natural orbitals (UNO) by hybrid density functional theory (HDFT) calculations (2020)
  • Author(s): Miyagawa K.、Yamanaka S.、Isobe H.、Shoji M.、Kawakami T.、Taniguchi M.、Okumura M.、Yamaguchi K.
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 22 Issue: 46 Pages: 27191-27205
  • DOI: 10.1039/d0cp04762g
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高難度小分子変換を可能にする光合成Mnクラスターの触媒機構 (2022)
  • Author(s): 磯部寛
  • Organizer: 新学術領域「光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光―物質変換系の創製」第4回最終公開シンポジウム
• [Presentation] 新たな水分子の結合によって誘起される高酸化状態Mnクラスターの構造緩和過程に関する理論的研究 (2021)
  • Author(s): 磯部寛、鈴木孝義、沈建仁、庄司光男、山口兆
  • Organizer: 新学術領域「光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光―物質変換系の創製」第3回公開シンポジウム