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: 22H04754
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2023: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: X線自由電子レーザー / 光合成 / 時間分解 / ダイナミクス / 高速分子動画 / 膜タンパク質 / X線自由レーザー

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。この解析に必要な微小な結晶を得ることに成功しているので、これらの結晶の品質を改善して立体構造解析を行います。

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、本学術領域の第１期においてLH1-RC超複合体の微小結晶を作成することができるようになった。そこで今期は結晶の品質を改善してデータ収集と解析を行うことを目指した。

時間分解シリアルフェムト秒結晶構造解析に必要なLH1-RC超複合体の微小結晶を大量に調製することができるようになったので微小結晶を用いて室温でのシリアルフェムト秒構造解析を実施した。限られた実験時間の中で、5データセットを収集した。いずれも構造解析可能なデータではあったが、結晶の品質が室温では不安定なため、低分解能のデータしか収集できなかった。解析の結果、電子密度マップにてキノンやクロロフィルなどのリガンドを確認することができた。また並行して進めた光化学系IIのS状態遷移に関わる構造変化を時間分割シリアルフェムト秒で解析し、責任著者として論文にまとめた。また光化学系IIの変異体に関する構造解析内容を論文にまとめた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Oxygen-evolving photosystem II structures during S1-S2-S3 transitions (2024)
  • Author(s): Li Hongjie、Nakajima Yoshiki、Nango Eriko、Owada Shigeki、Yamada Daichi、Tosha Takehiko、Tono Kensuke、Joti Yasumasa、Hatsui Takaki、Yabashi Makina、Kubo Minoru、Iwata So、Isobe Hiroshi、Yamaguchi Kizashi、Suga Michihiro、Shen Jian-Ren
  • Journal Title: Nature Volume: 626 Issue: 7999 Pages: 670-677
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06987-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structures of photosystem II from a cyanobacterium expressing psbA in comparison to psbA reveal differences in the D1 subunit (2022)
  • Author(s): Nakajima Yoshiki、Ugai-Amo Natsumi、Tone Naoki、Nakagawa Akiko、Iwai Masako、Ikeuchi Masahiko、Sugiura Miwa、Suga Michihiro、Shen Jian-Ren
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 298 Issue: 12 Pages: 102668-102668
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102668
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Geometric, electronic and spin structures of the CaMn4O5 catalyst for water oxidation in oxygen-evolving photosystem II. Interplay between experiments and theoretical computations (2022)
  • Author(s): Yamaguchi Kizashi、Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Kawakami Takashi、Miyagawa Koichi、Suga Michihiro、Akita Fusamichi、Shen Jian-Ren
  • Journal Title: Coordination Chemistry Reviews Volume: 471 Pages: 214742-214742
  • DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214742
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Structural dynamics and substrate binding to the oxygen-evolving complex studied by time-resolved X-ray crystallography of PSII (2022)
  • Author(s): 菅 倫寛
  • Organizer: 10th Asian Biological Inorganic Chemnistry Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time-resolved structural studies on photosystem II (2022)
  • Author(s): 菅 倫寛
  • Organizer: The 22nd annual meeting of the photobiology association of Japan
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーを用いた解析におる光化学系IIの基質水分子の取り込みと水分子の酸化に関する構造的知見 (2022)
  • Author(s): 菅 倫寛, 中島芳樹, リホンジェ, 沈 建仁
  • Organizer: 第60回 生物物理学会年会
• [Presentation] Time-resolved structural studies on photosystem II provide insights into the mechanism of water oxidation and substrate delivery (2022)
  • Author(s): 菅 倫寛
  • Organizer: Satellite Meeting to 18th international congress on photosynthesis research 2022: Mechanism of water oxidation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] X-ray free electron lasers reveal the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II (2022)
  • Author(s): 菅 倫寛
  • Organizer: International congress on photosynthesis research 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 光合成を担う“ゆがんだイス”型の触媒が、水分子を取り込む瞬間をナノ秒レベルで捉えることに成功！
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id1185.html