Ultrafast structural dynamics of light-harvesting complex I and the photosynthetic reaction center supercomplex

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 20H05446
• 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, 教授 (60634920)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2020: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 光合成 / ダイナミクス / 膜タンパク質 / X線自由電子レーザー / 高速分子動画 / 分子動画 / Ｘ線自由電子レーザー

Outline of Research at the Start

光合成細菌の行う酸素非発生型の光合成では、光合成反応中心が光エネルギーを高い効率で吸収し、電子を受け渡すことで反応が始まります。本研究では光合成反応中心と集光アンテナ複合体Iの超複合体の結晶をX線自由電子レーザーの技術で解析することで、これまでの解析技術では捉えることができなかった、光エネルギーを吸収した後の非常に速い立体構造の動きを明らかにすることを目指しています。この解析に必要な良質な結晶を作成することを第一の目標としています。

Outline of Annual Research Achievements

光合成細菌の光合成反応中心（RC）は集光アンテナ複合体I（LH1）と超複合体をとっており、光エネルギーを高い効率で吸収して、電子伝達鎖を駆動し酸素非発生型の光合成の初発の反応を開始する。本研究ではLH1-RC超複合体を対象としX線自由電子レーザーを用いて時間分解シリアルフェムト秒結晶構造解析して励起後の構造解析を明らかにすることを目指し、LH1-RC超複合体の良質な微小結晶を作成することを第一の目標としている。
時間分解シリアルフェムト秒結晶構造解析に向けた、LH1-RC超複合体の良質な微小結晶を作成する条件を探索した。結晶の調製に細かく粉砕した結晶を用いてシーディングを行ったところ、安定に100マイクロメートルの大きさの結晶を得ることができた。結晶の析出時間はシーディングなしでは1週間以上かかったが、シーディングによって3日間程度に短縮した。微小結晶の回折分解能を放射光にてチェックした。その際、回折分解能が凍結条件の影響を受けやすいことが判明したので、沈殿剤の種類と濃度、溶液を交換する方法を検討した。その結果、3-A程度の分解能で回折する結晶を2割程度の頻度で得ることができた。引き続き結晶の調製方法を検討し、スケールを拡大してシリアルフェムト秒構造解析を行う予定である。

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

• [Int'l Joint Research] 中国科学院植物研究所(中国)
• [Journal Article] Capturing structural changes of the S1 to S2 transition of photosystem II using time-resolved serial femtosecond crystallography (2021)
  • Author(s): H Li, Y Nakajima, T Nomura, M Sugahara, S Yonekura, SK Chan, T Nakane, T Yamane, Y Umena, M Suzuki, T Masuda, T Motomura, H Naitow, Y Matsuura, T Kimura, K Tono, S Owada, Y Joti, R Tanaka, E Nango, F Akita, M Kubo, S Iwata, JR Shen and M Suga
  • Journal Title: IUCrJ Volume: 8 Issue: 3 Pages: 431-443
  • DOI: 10.1107/s2052252521002177
  • NAID: 120007037379
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] X-ray free electron lasers reveal the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II (2020)
  • Author(s): M Suga, Y Nakajima, F Akita, and J-R Shen
  • Organizer: MBSJ2020
  • Invited