2017 Fiscal Year Annual Research Report
高分解能・時間分解構造解析による水分解反応の機構解明
| 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 |
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| Project/Area Number |
17H06434
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
沈 建仁 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (60261161)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神谷 信夫 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (60152865)
山口 兆 大阪大学, 学内共同利用施設等, その他 (80029537)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 光合成 / 水分解反応 / X線結晶構造解析 / 生物物理 / タンパク質 / X線自由電子レーザー / 理論計算 / 時間分解構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フェムト秒のX線自由電子レーザー(XFEL)を用いた固定ターゲットシリアル構造解析法により、常温で１、２閃光照射し、低温トラップする方法によりPSIIのS2, S3中間体の回折データを収集し、従来のSFX法よりも高い分解能で構造解析することに成功した。その結果、S1状態との差フーリエ電子密度マップからS1→S2, S2→S3遷移に伴うMn4CaO5クラスター周辺の構造変化を明らかにし、SFX法で見つかった、S3状態で新たに挿入された水分子O6とO5との距離をより正確に決定した。また、S2状態でO4近傍の水分子がディスオーダーし、S1→S2遷移においてO4近傍の水素結合ネットワークを通したプロトン移動が起きたことが示唆された。
上記で得られたXFEL実験やSFX実験の結果、各種スペクトル測定の結果を総合してHDFT法を用いた理論計算を行い、2017年に報告したS3状態のSFX構造、即ちO5-O6間距離（1.5 A）を再現するのはMn-peroxide構造となるが、この構造では4つのMnの価数(VS)が(3443)となりX線吸収スペクトル(XES)測定の結果と矛盾することが判明した。一方、Mn-hydroxideの場合はVSが(4444)となりXESの結果と一致するが、O5-O6間距離は2.5 AとなりSFX実験結果と矛盾することが分かった。さらに、Mn-oxoの場合はO5-O6間距離は2.0 AとなりVSは(4444)あるいは(4443)であった。これらの結果からS3状態の微細構造の解明にはより高分解能のSFX実験結果やHDFT法を超える高精度計算が必要であることが結論された。このため、結晶の質を改善し、光未照射のS1状態にある結晶に対して0.1 MGyという低いX線照射量でも1.62 A分解能を与える回折データを収集することに成功し、構造解析を行い、結合距離の平均誤差が0.1 Aの構造が得られ、信頼度の高いMn4CaO5クラスターの構造が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
XFELを用いた固定ターゲット結晶構造解析を行ない、低温トラップ法によりトラップしたS2, S3中間体の構造を常温のSFX法よりも高い分解能で解析することに成功し、S1→S2, S2→S3遷移に伴う構造変化を明らかにした。また、結晶の質を改善し、より高分解能を与える結晶の析出に成功した。
理論計算においては、Mn系のDMRG計算用の専用計算機を構築し、その性能を確認でき、S3状態のSFX実験結果について理論的解析を行い、これまでの実験結果と一部一致しないものがあり、より高精度の実験や理論計算が必要であることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
常温におけるS遷移状態の構造変化をより高分解能で解析するため、PSII微結晶の改善、SFX法における微結晶試料の吐出法の検討、データ処理法の最適化が必要である。種々の改善を行い、より高分解能の回折データが収集できる条件が確立すれば、2閃光照射後の時間ラッグを変更してSFX法で回折データを収集し、構造解析を行ない、O6の挿入経路やプロトンの排出経路を特定する。また、3閃光照射によりS3→(S4)→S0の構造変化を明らかにする。
DFT法を超える理論計算法としてのDMRG法を用いて各S状態におけるMn4CaO5クラスターの構造を精密に計算し、実験結果と照合して詳細な構造と反応機構を解明する。
pHに依存したMn4CaO5クラスターの構造変化や、ヨウ素・ヒドロキシルアミン処理により還元されたMn4CaO5クラスターの構造、及び各種PSII変異体の構造解析を行ない、PSIIの機能発現に必要な、重要な構造ヨウ素を明らかにする。
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[Journal Article] Probing structure-function relationships in early events in photosynthesis using a chimeric photocomplex2017
Author(s)
Nagashima K. V. P., Sasaki M., Hashimoto K., Takaichi S., Nagashima S., Yu L.-J., Abe Y., Gotou K., Kawakami T., Takenouchi, M. Shibuya Y., Yamaguchi A., Ohno T., Shen J.-R., Inoue K., Madigan M., Kimura Y., Wang-Otomo Z.-Y.
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Journal Title
Proc. Natl. Acad. Sci. USA.
Volume: 114
Pages: 10906-10911
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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