水分解触媒部位の周辺環境から理解する光合成蛋白質における酸素発生反応

• Project Area: Chemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes
• Project/Area Number: 25107517
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo (2014); Osaka University (2013)
• Principal Investigator: 石北 央 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (00508111)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2014: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2013: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 人工光合成 / プロトン移動 / Mn4CaO5 / 水分解酸素発生 / 光化学系II / Photosystem II

Outline of Annual Research Achievements

「地上に降り注ぐ太陽光から有益なエネルギー源となる物質を生産する」という人工光合成の実現は、光化学系II (Photosystem II, PSII)の立体構造（Umena, Kawakami, Shen, Kamiya. Nature (2011)）解明により、ますます現実味を帯びてきた。分子構造がわかれば原子間相互作用を解析することでその分子が行う化学反応の様子も見ることができるからである。一方で得られた結晶構造を眺めるだけの研究手法では理解に限界がある。本研究では、PSII結晶構造を分子化学の立場で、理論化学的手法を用いて解析することで、PSII水分解・酸素発生反応機構の解明を目指した。
PSII結晶構造内での水素結合パターンの決定をQM/MM法（2013年ノーベル化学賞受賞対象となった手法の一つ）で解析した。X線結晶構造解析では水素原子は見えておらず、水素原子が見えない。そこで、まず妥当な水素原子の位置および水素結合パターンを決定した。その後、プロトン移動経路の候補となる部位の水素結合において、水素結合エネルギーのポテンシャルを計算した。その結果、触媒部位Mn4CaO5近傍から蛋白質表面につながるプロトン移動経路を見つけることができた（論文投稿中）。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Proton transfer reactions and hydrogen-bond networks in protein environments. (2014)
  • Author(s): Ishikita H, Saito K
  • Journal Title: Journal of the Royal Society, Interface Volume: 11 Issue: 91 Pages: 20130518-20130518
  • DOI: 10.1098/rsif.2013.0518
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of the Ca(2+) ion on the Mn4Ca conformation and the H-bond network arrangement in Photosystem II (2014)
  • Author(s): Saito K, Ishikita H
  • Journal Title: Biochimica et biophysica acta Volume: 1837 Issue: 1 Pages: 159-166
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2013.09.013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光合成酸素発生反応で利用される蛋白質内プロトン移動経路の発見 (2014)
  • Author(s): 石北 央、斉藤圭亮
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 52 Pages: 214-215
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光合成蛋白質Photosystem IIにおける水分解反応を蛋白質環境から理解する (2014)
  • Author(s): 石北 央
  • Journal Title: 生産と技術 Volume: 66 Pages: 103-106
• [Journal Article] 恩師のノーベル化学賞受賞に寄せて (2013)
  • Author(s): 石北 央
  • Journal Title: 光合成研究 Volume: 23 Pages: 125-128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 蛋白質における光駆動プロトン移動と水素結合 (2013)
  • Author(s): 石北 央、斉藤圭亮
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 53 Pages: 198-201
  • NAID: 10031178740
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Research Frontiers: How Do Green Plants Produce O2 from Water? (2013)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Journal Title: Kyoto University Research Activities Volume: 2 Pages: 23-23
• [Presentation] Proton transfer reactions in Photosystem II (2014)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Organizer: 2014 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • Place of Presentation: 兵庫県立淡路夢舞台国際会議場（兵庫県、淡路市）
  • Year and Date: 2014-11-24 – 2014-11-28
  • Invited
• [Presentation] Proton transfer reactions and hydrogen bond networks in protein environments (2014)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Organizer: XIXth International Workshop on Quantum Systems, in Chemistry, Physics and Biology
  • Place of Presentation: Fullon Hotel Tamsui Fishermen’s Wharf, Taipei（台湾）
  • Year and Date: 2014-11-11 – 2014-11-17
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質環境におけるプロトン移動と水素結合ネットワーク (2014)
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: CBI学会 2014年大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（千葉県、船橋市）
  • Year and Date: 2014-10-28 – 2014-10-30
  • Invited
• [Presentation] Proton transfer reactions and hydrogen-bond networks in protein environments (2014)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Organizer: 1st UK-Japan bilateral workshop on solar fuel
  • Place of Presentation: 駐日英国大使館（東京都、千代田区）
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-19
  • Invited
• [Presentation] Proton transfer reactions and hydrogen-bond networks in protein environments (2014)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Organizer: Computational Science Workshop 2014
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center（茨城県、つくば市）
  • Year and Date: 2014-08-20 – 2014-08-22
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質の静電場環境による活性のコントロール (2014)
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 第14 回日本蛋白質科学会年会ワークショップ
  • Place of Presentation: ワークピア横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • Invited
• [Presentation] 結晶構造では見えにくい「H+」から蛋白質の反応を見る (2014)
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 第4期第5回フロンティアサロン
  • Place of Presentation: ホテルニューオータニ東京（東京都、千代田区）
  • Year and Date: 2014-05-19
  • Invited
• [Presentation] Proton transfer reactions mediated by hydrogen bonds in protein environment (2014)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Organizer: American Physical Society (APS) March meeting
  • Place of Presentation: Denver, Colorado
  • Invited
• [Presentation] Proton transfer reactions mediated by hydrogen bonds in protein environment (2013)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Organizer: International Conference on Bio/Mimetic Solar Energy Conversion 2013
  • Place of Presentation: Media Center, Osaka City University
  • Invited
• [Presentation] X線結晶構造解析では見えにくい「H+」から蛋白質の光反応を見る (2013)
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 第3回 モデル生物丸ごと一匹学会
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス シグマホール
  • Invited
• [Presentation] Mechanisms of proton transfer reactions in Photosystem II (2013)
  • Author(s): Hiroshi Ishikita
  • Organizer: International meeting “Photosynthesis Research for Sustainability – 2013
  • Place of Presentation: Baku, Azerbaijan
  • Invited
• [Presentation] 基礎的な分子化学で光合成を語れるようになる日 (2013)
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 第４回日本光合成学会年会公開シンポジウム「5年後、30年後の光合成研究」
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質における光反応の様子をH+から探る (2013)
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 「光の、光による、光のための蛋白質科学」
  • Place of Presentation: 大阪大学蛋白質研究所
  • Invited
• [Presentation] 水分解反応を進めるためのPhotosystem II蛋白質環境
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 日本表面科学会関西支部 関西支部セミナー「人工光合成の最前線」
  • Place of Presentation: 産業技術総合研究所 関西センター
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質の静電場環境による活性のコントロール
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 「蛋白質の機能デザインに向けた実験と理論のインタープレー」
  • Place of Presentation: 大阪大学蛋白質研究所
  • Invited
• [Presentation] X線結晶構造解析では見えにくい「H+」から蛋白質の反応を見る
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 第６回協定講座シンポジウム「計算生物学と材料科学の融合II」
  • Place of Presentation: 神戸大学統合研究拠点 コンベンションホール
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質活性部位に存在する短い水素結合とプロトン移動
  • Author(s): 石北 央
  • Organizer: 島根大学医生物ラマン研究会第５回講演会
  • Place of Presentation: 島根大学
  • Invited