2017 Fiscal Year Research-status Report
構造化学的手法による光化学系IIの水分解反応の機構解明
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16KT0058
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
梅名 泰史 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特別契約職員(准教授) (10468267)
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| Project Period (FY) |
2016-07-19 – 2019-03-31
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| Keywords | 光合成 / 光化学系II蛋白質 / 結晶構造解析 / 異常分散項差電子密度マップ / 反応中間状態 / 光励起 / 微小結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光合成の水分解・酸素発生を担う光化学系II(PSII)蛋白質の活性中心にはIII価とIV価の混合原子価状態で存在するMn多核錯体であるMn4CaO5(Mnクラスター）が触媒として存在している。Mnクラスターを構成する４つのMnの価数および触媒反応における個々の価数変化を理解する事で、PSIIの水分解反応を構造化学的に解明することができる。
本研究では、100μm程度の多数の微小なPSII結晶をメッシュ基盤に塗布し、波長532nmのNd:YAGパルスレーザー光で励起させてから、低温ガスのフラッシュで凍結固定することで反応中間状態の結晶試料を調製手法を用いた。また、MnのK-吸収端(6.555keV)のX線を使ったPSII結晶のＸ線結晶解析を行い、価数に応じたX線吸収特性を反映する異常分散項電子密度マップ(anoマップ）を分析することで、４つのMn原子の価数をそれぞれ特定する分析手法を用いた。そして、PSIIの反応過程の４段階の反応中間状態の結晶試料を調製し、各状態におけるMn原子の価数と構造変化を明らかにして、Mnクラスターの水分解反応の触媒作用の解明を目指した。
本期間では、X線吸収スペクトル分析(XANES)からPSII微小結晶のMnがフラッシュ数に応じて励起され、３フラッシュ目で反応が完了し、励起状態が戻っていることが確認できた。ただし、遷移効率はおおよそ80,80,30,80%となり，２段階目以降の遷移が進み難い事がわかった。一方、多数の微小結晶を塗布したメッシュ基盤をそれぞれ20-30個用意して，それぞれから1600枚の回折像を収集して，40%程度の回折像から回折強度データ得られ、2.6Å分解能程度の構造解析をおこなうことができた。anoマップをそれぞれの中間状態で比較すると，１段階目で１つのMn原子の価数が大きく変化したことが確認された。
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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
Mnクラスターの金属間の原子間距離は2.8Åであるので、2.8Å以上の分解能であれば本手法により個々のMn原子の価数を評価することができる。本期間では、各状態の回折強度データは2.6Å分解能程度であったため、価数変化が予想された３つのMn原子の電子状態の変化を確認することができた。また、XANES分析により遷移効率を算出することができ、各データの存在割合を組み込むことで，各Mnの価数変化について分析できることが確認できた。本研究で用いた２つの手法の有効性について，確認することができ，有意なデータを得る事ができたことから、おおむね順調に進展していると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今期間で得られた一連のデータは、数ヶ月の時期にそれぞれ分けて測定したため、試料のロットによりデータ間の同形性が低いことが問題であった。また、2.6Å分解としては、データの精度が低いため、構造変化についてははっきりとは分からなかった。励起効率も水分解が起こる段階で急激に低下する課題も明らかになった。
今後の研究では、同一期間に一連の結晶群を調製して同形性を担保すると共に、微結晶の品質を改善し、より精度の高いデータを目指す。また、励起効率の改善を目指して、pH可変や添加剤を検討するため、微小結晶のXANES実験を繰り返して、条件の選定を行う。また、本期間と同様の測定を追試し、解析結果の再現性について確認することを行う予定である。
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| Causes of Carryover |
前年度の予算から切り捨てられない249円分の僅かな超過が発生したが，本質的な予算計画の変更はない。
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