2017 Fiscal Year Annual Research Report
光合成・光化学系II複合体に含まれる酸素発生錯体の混合原子価状態の解明
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17H03645
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
神谷 信夫 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (60152865)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光化学系II / 光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 金属クラスター / 混合原子価状態 / SPring-8 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在の地球に棲息する光合成生物の内、水を電子源として酸素を発生しているものは、すべて、水分解・酸素発生触媒としてMn4Caクラスターを内包した光化学系II複合体（PSII）を持っている。Mn4Caクラスターは20～30億年前に出現したらん藻に既に見られ、その後の生物進化の長い歴史を経てもまったく変わっていない。Mn4Caクラスターには、生物界の触媒として唯一生き残ることができた理由が隠されているはずである。本研究では、Mn4Caクラスターの混合原子価状態により、本来「ハードな」金属であるMn原子が混合原子価状態をとることで「ソフトな」特性を獲得して触媒として機能しているとする作業仮説をたて、その検証を目標としている。実際には以下の手順に従ってPSIIのＸ線結晶構造解析に多波長異常分散法の手法を適用し、Mn4Caクラスターの4個のMn原子の価数を実測する。(1) 高分解能で同型性の高い結晶を多数準備して、少ないX線照射量での回折実験を可能にし、Mn原子のX線還元を無視できる程度に抑える。(2) 同様に多数のPSII結晶を試料として、少ないX線照射量でMn-K吸収端スペクトルを測定し、回折実験を行うためのX線波長を決定する。(3) 設定した吸収端内の3波長と吸収端前後の２波長で回折強度を測定する（その際、吸収端より離れた1.80 Aでの回折強度測定も合わせて行い、各データを規格化するために利用する）。(4) 合計10種類の回折強度データに対して独立に構造解析を行う。(5) 得られた構造から計算される位相を用いて異常分散差の電子密度図を求め、各Mn原子に対するピーク高さから、それぞれの価数を決定する。
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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
本年度は「研究実績の概要」に記述した(1)から(5)までの予定に従って研究を進めた。(1)では5回の回折実験（SPring-8）のために、各回50個程度のPSII結晶を準備した。(2)各実験のたびにPSII結晶からMn-K吸収端を測定して波長校正を行うとともに、吸収端内の3波長として1.89375 A、1.8928 A、1.89166 A、吸収端前後の２波長として1.89710 A、1.8896 Aの5波長を決定した。(3) 0.015 MGyのX線照射量で(2)に記した５波長で回折強度測定を行った。また、各実験のたびに波長1.80 Aでの回折強度測定（0.045 MGy）を合わせて行った。我々のグループによる先行研究から、0.1 MGyを下回るとPSIIのMn原子に対するX線還元は無視できるほど小さいことが既に明らかにされている。(4) 得られた10種類の回折強度データに基づいて構造解析を独立に進め、現在までに8つの解析を完了させた。
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| Strategy for Future Research Activity |
「研究実績の概要」に述べた方針に従い、(4) で残された2つの結晶構造解析を完了させる。(5) 得られた構造から計算される位相を用いて異常分散差の電子密度図を求め、そこに現れたピーク高さから、Mn4Caクラスターに含まれる4個のMn原子の価数を実測し、Mn4Caクラスターで実現されている混合原子価状態を明らかにする。その結果を吟味して、Mn4Caクラスターがいかにして「ソフトな」特性を獲得しているか、また長い生物進化の歴史の中で、Mn4Caクラスターが水分解・酸素発生触媒として唯一生き残ることができた理由について議論する。
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