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π系ナノ電極による光合成水分解反応の分子機作

Publicly Offered Research

Project AreaEmergence of highly elaborated pai-space and its function
Project/Area Number 23108706
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

野口 巧  名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60241246)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2013-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2012: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2011: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords光合成 / 光化学系II / 赤外分光 / π系共役色素 / 電子移動 / 水分解
Research Abstract

1.光化学系IIのキノン電子受容体の酸化還元電位コントロール:光化学系IIに存在するキノン電子受容体Q_A,Q_Bについて、Q_B部位の相互作用がどのようにQ_A部位のプラストキノン分子に伝達するのかを、量子化学計算を用いて調べた。その結果、Q_A-His-Fe-His-(Q_B)のヒスチジン側鎖および非ヘム鉄原子を介した架橋構造における水素結合及び電荷効果によって、Q_B部位での相互作用がQ_Aに伝播し、その酸化還元電位に影響を与えることが示された。
2.光化学系IIのQ_B部位に結合する除草剤の光傷害への効果:次に、Q_B部位に異なる種類の除草剤を結合させた際の、光化学系IIの光傷害過程を調べた。その結果、フェノール系除草剤では光傷害が促進され、尿素系除草剤では逆に光傷害が緩和されることが示された。この現象はQ_B部位からQ_Aへの相互作用伝達によるQ_Aの酸化還元電位の変化(フェノール系除草剤はQ_A電位を上昇させ、尿素系除草剤は電位を低下させる)によって説明された。また、いずれの場合も、クロロフィル二量体P680はQ_Aよりも遅れて失活することから、光化学系IIはQ_A-アニオンによるクロロフィル三重項の消光という光保護作用を持つことが実験的に示された。
3.生体πナノ電極と金ナノ粒子の結合による人工光水分解ナノデバイスの開発:π系コファクターのナノワイヤーとマンガンクラスター電極よりなる生体πナノ電極である光化学系II蛋白質を金ナノ粒子に結合させ、ハイブリット型の人工光水分解ナノデバイスを作成した。得られた金ナノ粒子-光化学系IIナノデバイスは、光照射により水を分解し、酸素を発生することが示された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

フーリエ変換赤外分光法および量子化学計算によって、π電子系電子伝達コファクターであるキノン電子受容体Q_A、Q_Bの酸化還元電位の制御機構に関して多くの知見が得られ、またその酸化還元電位の制御が光化学系Hの光傷害機構に関わるという実験的証拠を得ることができた。また、生体πナノ電極と呼べる光化学系II蛋白質と金ナノ粒子を用いて人工光水分解ナノデバイスの作成に成功した。さらに酸素発生マンガンクラスターからの直接的な電子受容体として働くチロシン側鎖(Yz)について、フーリエ変換赤外スペクトルを測定することによって、その水素結合状態についての情報を得た(未発表)。これらのことから、研究はおおむね計画通りに進んでいると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、光化学系IIにおけるキノン電子受容体の構造と電位制御機構についてのフーリエ変換赤外分光法及び量子化学計算による研究をさらに進めるとともに、チロシンYzの構造、反応機構の研究(現在進行中)および、マンガンクラスターにおける水分解反応に重点をおいて研究を行う。特にマンガンクラスターの配位子または近傍に存在するπ共役系を持つアミノ酸側鎖(カルボキシル基、イミダゾール基、グアニジル基)の構造と水分解反応における役割、基質水分子との相互作用などに注目して研究を行う。

Report

(1 results)
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (27 results)

All 2012 2011 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (20 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] The PsbQ protein stabilizes the functional binding of the PsbP protein to photosystem II in higher plants2012

    • Author(s)
      S. Kakiuchi, C. Uno, K. Ido, T. Nishimura, T. Noguchi, K. Ifuku, and F. Sato
    • Journal Title

      Biochim. Biophys. Acta

      Volume: 1817 Issue: 8 Pages: 1346-1351

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2012.01.009

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  • [Journal Article] Time-resolved infrared detection of the proton and protein dynamics during photosynthetic oxygen evolution2012

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      T. Noguchi, H. Suzuki, M. Tsuno, M. Sugiura, and C. Kato
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 51 Issue: 15 Pages: 3205-3214

    • DOI

      10.1021/bi300294n

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  • [Journal Article] How does the QBsite influence propagate to the Q_A site in Photosystem II?2011

    • Author(s)
      H. Ishikita, K. Hasegawa, and T. Noguchi
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 50 Issue: 24 Pages: 5436-5442

    • DOI

      10.1021/bi102023x

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      I. Idedan, T. Tomo, and T. Noguchi
    • Journal Title

      Biochim. Biophys. Acta

      Volume: 1807 Issue: 9 Pages: 1214-1220

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2011.06.006

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      T. Noji, H. Suzuki, T. Gotoh, M. Iwai, M. Ikeuchi, T. Tomo, and T. Noguchi
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. Lett.

      Volume: 2 Issue: 19 Pages: 2448-2452

    • DOI

      10.1021/jz201172y

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      芦沢竜壮、野口巧
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      生物物理学会中部支部講演会
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      名古屋大
    • Year and Date
      2012-03-19
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      野口巧
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      東京
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      2012-01-27
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      野口巧
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      京都
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      日本植物生理学会年会
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      京都
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      野口巧
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      宇野千尋、垣内秀介、佐藤文彦、伊福健太郎、野口巧
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      日本光合成学会年会
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      京都大学
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  • [Presentation] 光化学系IIにおける13C同位体置換による第二キノン電子受容体Q_Bの赤外分光解析2011

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      岩佐拓也、鈴木博行、杉浦美羽、野口巧
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      日本光合成学会年会
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      京都大学
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  • [Presentation] 光化学系II蛋白質の金ナノ粒子への結合2011

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      野地智康、鈴木博行、五藤俊明、鞆達也、岩井雅子、池内昌彦、野口巧
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      日本光合成学会年会
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      京都大学
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      津野将弥、鈴木博行、野口巧
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  • [Presentation] 光化学系IIの水分解反応に関与するアルギニン残基検出系の構築2011

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      嶋田友一郎、鈴木博行、土屋徹、三室守、野口巧
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      光合成の色素系と反応中心に関するセミナー
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      大阪大学
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      嶋田友一郎、鈴木博行、土屋徹、三室守、野口巧
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      「高次π空間の創発と機能開発」第6回公開シンポジウム
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  • [Presentation] In vitro reconstitution and FTIR analysis of cyanobacteriochrome AnPixJ using ^<13>C- and ^<15>N-labeled phycocyanobilin2011

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      Rei Narikawa, Yusuke Tomita, John Hughes, Markus Knipp, Takumi Noguchi, Wolfgang Gaertner, Masahiko Ikeuchi
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      International Conference on Tetrapyrrole Photoreceptors of Photosynthetic Organisms 2011
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      Berlin
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  • [Presentation] Interaction and function of the PsbP extrinsic protein in the oxygen evolving center of photosystem II2011

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      Chihiro Uno, Shusuke Kakiuchi, Fumihiko Sato, Kentaro Ifuku, Takumi Noguchi
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  • [Presentation] Formation of photosystem II-gold nanoparticle conjugates2011

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      Tomoyasu Noji, Kousuke Kawahara, Hiroyuki Suzuki, Toshiaki Goto, Tatsuya Tomo, Masako Iwai, Masahiko Ikeuchi, Takumi Noguchi
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      日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      兵庫県立大学
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      Miwa Sugiura, Fabrice Rappaport, Yuki Kato, Takumi Noguchi, Alain Boussac
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      兵庫県立大学
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      嶋田友一郎、鈴木博行、土屋徹、三室守、野口巧
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    • Author(s)
      Takumi Noguchi
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      3rd International symposium on emergence of highly elaborated π-space and its function
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      Tsukuba
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  • [Book] Photosynthetic O_2 Evolution, in Molecular Solar Fuels Chapter 7(T.Wydrzynski and W.Hillier, Eds.)2011

    • Author(s)
      J.Messinger, T.Noguchi, J.Yano
    • Publisher
      RSC Publishing, Cambridge UK
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  • [Remarks]

    • URL

      http://glab.phys.nagoya-u.ac.jp/index.html

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      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-04-06   Modified: 2019-07-29  

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