2019 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 | 生物物理 / 光合成 / 赤外分光 / 水分解 / 電子移動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．光合成水分解機構の解明：光化学系Ⅱ(PSII)単一微結晶中の水分解反応を、顕微フーリエ変換赤外（FTIR）分光法を用いて調べた。その結果、PSIIの微結晶内部でも高い遷移効率が保たれていることが示された。また、Mnクラスターの配位子であるD1-D170のHis変異体、および近傍の水素結合ネットワーク上のD1-S169のAla変異体を作成し、その構造および反応を調べた。その結果、S169A変異はMnクラスターの近傍構造を変化させたが、D170H変異は特異的なアミノ酸変換を起こし、野生株のPSIIに戻ることが示された。
２．キノン電子受容体の酸化還元電位制御：PSIIにおける第一キノン電子受容体QAの酸化還元電位（Em）は、Mnクラスターによって制御されることが定説となっていたが、これらのコファクター間の相互作用の存在は確認されていない。そこで、FTIR分光電気化学法を用いて、QAのEmへのMn除去の効果を調べ、これまでの蛍光法による結果と比較した。その結果、Mnクラスターの有無によって、QAのEmは変化しないことが示され、これまでの説は蛍光法によるアーティファクトであることが示された。
３．反応中心クロロフィルの構造と反応：PSIIのChlD2の軸配位子を置換した好熱性シアノバクテリアの組換え体を作製し、ChlD1変異体と共に、4分子の反応中心クロロフィルの正電荷分布の移動、および光阻害への影響について調べた。その結果、ChlD1は光励起後3 psでChlD1+になり、正電荷は350 psで[PD1 PD2]+ に移動することが示された。ChlD2変異体では正電荷はChlD2まで広がったことから、ChlD2の配位子構造が正電荷分布を制御することが示唆された。そして、ChlD2変異体は強い光阻害を受けたことから、副次的電子移動における電子受容体であることが示唆された。
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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系Ⅱ微結晶のFTIR解析を、全反射FTIR法によって微結晶の集合体として行うだけでなく、顕微FTIR分光を用いて単一の微結晶についても行うことに成功し、単一結晶内部の水分解反応の詳細を調べることができたことは大きな成果である。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の研究も順調に進んでいる。また、電子受容体側については、QAがMnクラスターの有無によって制御されるというこれまでの定説を覆し、QBにおけるpHに依存する電子移動制御の機構を明らかにした。こうした光化学系Ⅱの電子伝達系に存在する電子移動制御機構を明らかにしたことは、非常に重要である。さらに初発電荷分離を起こす反応中心クロロフィルおよび副次的電子移動経路を形成するCytb559についても、これまでに多くの重要な結果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．光合成水分解機構の解明：Mn2+の光酸化過程を光誘起フーリエ変換赤外（FTIR）差分光法で調べ、さらにquantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM)計算によってそのスペクトルをシュミレーションすることによって、最初のMn2+結合位置および光活性化の機構を調べる。また、Mn4CaO5クラスターのカルボキシル配位子の変異体を用いて、昨年度に見出したD1-D170Hのアミノ酸変換の分子機構を調べ、光活性化における、カルボキシル配位子の役割を明らかにする。
２．鉄－キノン電子受容体の反応機構：異なるpHにおいて非ヘム鉄およびキノン電子受容体QBの酸化還元反応を、FTIR法や遅延蛍光を用いて調べ、鉄－キノン電子受容体のpHに依存する反応制御機構を明らかにする。また、QB近傍に存在するヒスチジンD1-H252の変異体を用いて同様の実験を行い、QBの電子・プロトン移動反応およびそのpH依存性におけるこのヒスチジン残基の役割を調べる。
３．反応中心クロロフィルの電荷分離反応機構の解明：ChlD1とChlD2の両方を同時に変えた組換え体を完成させ、これまでに作製した変異体と共に反応中心クロロフィルの速度論およびエネルギー論的な反応機構を明らかにする。またChlzD1およびChlzD2変異体を作製し、P680変異体と合わせて吸収分光測定を行い、副次的電子移動経路に関わるクロロフィル分子を特定する。昨年度、組換え体作製を試みたが致死した変異体があったため、光従属栄養下で生育可能な組換え系を完成させ、これを宿主に用いて変異体を完成させる。
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[Journal Article] An alternative plant-like cyanobacterial ferredoxin with unprecedented structural and functional properties2019
Author(s)
T. Motomura, L. Zuccarello, P. Setif, A. Boussac, Y. Umena, D. Lemaire, J. N. Tripathy, M. Sugiura, R. Hienerwadel, J.-R. Shen, and C. Berthomieu
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Journal Title
Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics
Volume: 1860
Pages: 14804
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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