2017 Fiscal Year Annual Research Report
機能解析による光合成タンパク質における電子移動制御の分子機構解明
| 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 |
17H06435
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
野口 巧 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (60241246)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉浦 美羽 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 准教授 (80312255)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 電子移動 / プロトン移動 / 赤外分光 / 部位特異的変異 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光化学系Ⅱにおける電子・プロトン移動反応および水分解反応について、以下の成果を得た。
１．光合成水分解機構：（１）光化学系Ⅱタンパク質の微結晶を用いて光誘起フーリエ変換赤外分光（FTIR）解析を行い、２閃光照射により、X線自由電子レーザーによる結晶構造解析に十分な量のS3状態が生成することを示した。（２）時間分解赤外分光法を用いて、水分解反応におけるS2-S3遷移の電子・プロトン移動反応の詳細を調べ、この遷移ではプロトン移動律速の電子移動反応が起こることを示した。（３）YZ近傍に存在するD1-Asn298のAla変異体を作成し、熱発光・遅延蛍光およびFTIR測定から、YZ近傍の水素結合ネットワークがS2-S3、S3-S0遷移におけるプロトン放出経路として機能する可能性を示唆した。（４）偏光全反射赤外法および量子化学計算により、Mnクラスターに水素結合するD1-His337は、常にプロトン化したカチオン型として存在しており、このHisの正電荷が、Mnクラスターを高い電位に保ち、水分解能の発現に重要な役割を果たしていることが示された。
２．二量体クロロフィルP680の高い酸化還元電位の発現機構：アミノ酸改変によりP680に非対称的に水素結合を導入し、FTIR解析を用いてP680+上の電荷分布を調べた結果、正電荷はD1側に偏って存在しており、これが、P680の高い酸化還元電位とYZからの速い電子移動速度の原因であることが示された。
３．Cytb559の電位制御機構：Cytb559の近傍アミノ酸に部位特異的変異を導入し、その影響を調べた。その結果、軸配位子の改変により、ヘムが失われて非ヘム鉄となり、PSII中の他の電子伝達コファクターも影響を受けることが示された。
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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
A01班が作成した光化学微結晶を用いた光誘起FTIR解析により、閃光照射後のS3中間状態の量を見積もり、S3の結晶構造解析に貢献することができた。また、水分解反応におけるプロトン共役電子移動機構やプロトン放出経路、P680上の電荷分布の見積もりなど、当初予定していた研究についてはおおむね成果を上げ、論文として発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
水分解機構については、YD欠損株より調製した光化学系Ⅱタンパク質を用いて、各中間状態遷移における電子・プロトン移動過程を、時間分解赤外分光法を用いてさらに詳細に調べる。pH依存性とD2O効果を調べることにより、プロトン移動と電子移動の時間相関を明らかすることができると考えている。光化学系Ⅱ微結晶の赤外分光解析もさらに進め、顕微赤外分光を用いて、単一の微結晶の閃光誘起FTIR差スペクトルを観測する予定である。反応中心クロロフィルについては、P680やChlD1の軸配位子を改変し、カチオン生成および励起三重項生成反応の機構を調べる。さらに、キノン電子受容体やシトクロムb559など、他の電子伝達成分についても、赤外分光や変異導入によって、それらの酸化還元電位の制御機構を明らかにしてこうと考えている。
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[Journal Article] The low spin - high spin equilibrium in the S2-state of the water oxidizing enzyme2018
Author(s)
Boussac, A. Ugur, I., Marion, A., Sugiura, M., Kaila, V. R., and Rutherford, A. W.
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Journal Title
Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics
Volume: 1859
Pages: 342-356
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Crystal structure and redox properties of a novel cyanobacterial heme-protein with a His/Cys heme axial ligation and a per-arnt-sim (PAS)-like domain2017
Author(s)
Motomura, T., Suga, M., Hienerwadel, R., Nakagawa, A., Lai, T.-L., Nitschke, W., Sugiura, M, Boussac, A. and Shen, J.-R.
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Journal Title
Ｊ. Biol. Chem.
Volume: 292
Pages: 9599-9612
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] A photoregulated ATP generation system for in vitro motility assay2017
Author(s)
Kabir, A. M. R., Ito, M., Uenishi. K., Anan, S., Konagaya, A., Sada. K., Sugiura, M., and Kakugo, A.
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Journal Title
Chem. Lett.
Volume: 46
Pages: 178-180
DOI
Peer Reviewed
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