2019 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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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, 名誉教授 (60152865)
山口 兆 大阪大学, 産業科学研究所, 特任教授 (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 / 酸素発生反応 / X線結晶構造解析 / X線自由電子レーザー / 理論計算 / 時間分解構造解析 / 高精度結合クラスター(coupled-cluster; CC)計算法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光化学系II(PSII)の水分解触媒中心Mn4CaO5クラスターについて、２閃光照射によってS3状態が生成されるまでの過程をナノ秒からマイクロ秒の時間で、X線自由電子レーザー(XFEL)を用いたポンプープローブシリアルフェムト秒結晶構造解析法を用いて解析した結果、早い時間でプロトン移動に伴うと思われる、クラスター周辺のアミノ酸の構造変化、及び酸素分子を形成する基質水分子由来のO6の挿入に伴う水チャンネルの変化が観察され、当該チャンネルの所在が示唆された。また、S2状態におけるMn4CaO5クラスターの構造は、アルカリ条件下でオープンキュバン型からクローズドキュバン型に変化することが電子スピン共鳴(EPR)法により示唆されていたが、アルカリ条件下でS2状態の構造を解析した結果、上記の構造変化は観察されず、EPR法によるアルカリ条件下でのスペクトル変化には他の解釈が必要であることが明らかになった。また、同型性の高いPSII結晶を多数調製する技術を確立し、多数の同型結晶を用いて低X線ドーズでMn原子のK吸収端（波長1.89 Å前後）を用いて、異常分散構造解析を行った結果、Mn4CaO5クラスター中の４個のMn原子の価数を独立に決定することができた。
実験で得られたMn4CaO5クラスターの構造について、汎用のBroken-Symmetry (BS)型密度汎関数(DFT)法を超える高精度結合クラスター(coupled-cluster; CC)計算法を用いて構造最適化を行った結果、Mn4CaO5クラスターのS1, S2状態について、DFT法では見つからなかった、エネルギー的に近似の新規の構造が見つかった。
上記研究と並行して、珪藻由来PSIIとその集光アンテナFCPIIとの複合体の構造をクライオ電子顕微鏡で解析し、論文をScience誌に公表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
X線自由電子レーザーを用いたポンプープローブ時間分解構造解析法により解析された水分解反応中間体のS2, S3状態構造に関する論文、及び珪藻PSII-FCPII超分子複合体のクライオ電子顕微鏡構造に関する論文をそれぞれScience誌に公表した。また、CC法を光合成系に適用し、Mn4CaO5クラスターの新規な中間体構造を見出しただけでなく、低X線ドーズによるPSIIの高分解能構造解析により、Mn4CaO5クラスター中の各Mnイオンの価数を実験的に決定した。そのほか、光合成系タンパク質の構造・機能解析を行い、論文をNature Communications, Nature Plants, Proceedings of the National Academy of Sciences of USAなどの雑誌に公表した。これらの成果から、研究が当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
水分解反応の詳細な機構を完全に解明するためには、3閃光照射によるPSIIのS状態の構造変化 (S3→(S4)→S0)を解析する必要があるが、現在のPSII微結晶の溶液条件では、S3状態以降の遷移効率が極めて低く、構造解析ができていない。このため、S3状態以降の遷移効率が十分高くなるようPSIIの結晶化条件や微結晶の溶液条件を改善する。S3状態以降への遷移効率が高い結晶の溶液条件が確立されれば、XFELを利用したポンプープローブSFX法で ３閃光照射によるS3→(S4)→S0遷移に伴う構造変化を解析する。同時に、1閃光後の異なる遅延時間で複数時点でのX線回折データを収集し、光誘導による電子伝達・プロトン移動に伴うPSIIの構造変化を詳細に解析する。また、PSIIの重要なアミノ酸変異体について構造・機能解析を行い、当該アミノ酸の役割を明らかにする。
以上より得られた各中間状態のPSII実験構造について、DLPNO-CCSD(T)計算法を用いて解析し、実験結果と照合して詳細な中間体構造と反応機構を解明する。
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Research Products
(64 results)
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[Journal Article] Structural basis for the adaptation and function of chlorophyll f in photosystem I2020
Author(s)
Koji Kato, Toshiyuki Shinoda, Ryo Nagao, Seiji Akimoto, Takehiro Suzuki, Naoshi Dohmae, Min Chen, Suleyman I. Allakhverdiev, Jian-Ren Shen, Fusamichi Akita, Naoyuki Miyazaki, Tatsuya Tomo
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Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 11
Pages: 238
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser2019
Author(s)
Suga M., Akita F., Yamashita K., Nakajima Y., Ueno G., Li H., Yamane T., Hirata K., Umena Y., Yonekura S., Yu L.-J., Murakami H., Nomura T., Kimura T., Kubo M., Baba S., Kumasaka T., Tono K., Yabashi M., Isobe H., Yamaguchi K., Yamamoto M., Ago H., Shen J.-R.
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Journal Title
Science
Volume: 366
Pages: 334～338
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Structural basis of energy harvesting and dissipation in diatom PSII-FCPII complexes revealed by cryo-electron microscopy2019
Author(s)
Ryo Nagao, Fusamichi Akita, Koji Kato, Takehiro Suzuki, Kentaro Ifuku, Ikuo Uchiyama, Yasuhiro Kashino, Naoshi Dohmae, Seiji Akimoto, Naoyuki Miyazaki, Jian-Ren Shen
Organizer
10th International Conference Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability
Int'l Joint Research
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[Presentation] Structural basis of energy harvesting and dissipation in diatom PSII-FCPII2019
Author(s)
Ryo Nagao, Fusamichi Akitaa, Koji Kato, Takehiro Suzuki, Kentaro Ifuku, Ikuo Uchiyama, Yasuhiro Kashino, Naoshi Dohmae, Seiji Akimoto, Naoyuki Miyazaki, Jian-Ren Shen
Organizer
9th Asia and Oceania Conference on Photobiology (AOCP2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Cryo-EM structure of the diatom PSII-FCPII: Insights into the evolutionary development of light-harvesting complexes2019
Author(s)
Ryo Nagao, Fusamichi Akita, Koji Kato, Takehiro Suzuki, Kentaro Ifuku, Ikuo Uchiyama, Yasuhiro Kashino, Naoshi Dohmae, Seiji Akimoto, Naoyuki Miyazaki, Jian-Ren Shen
Organizer
3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) and International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
Int'l Joint Research
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