2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development and application of new structural analysis on the light-induced radical pair by time-resolved electron spin resonance spectroscopy
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17J01125
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
長嶋 宏樹 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 特別研究員(PD)
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2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子スピン共鳴 / 電子スピン分極イメージング / クリプトクロム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
渡り鳥やショウジョウバエなど、様々な動物が地磁気を感受する機能にクリプトクロムが重要な役割を果たすことが示唆されており、その分子機能に大きな関心が寄せられている。クリプトクロムの地磁気感受において、光電荷分離過程により生成するラジカル対のスピン状態が関与するラジカル対機構が提唱されている。クリプトクロムは色素としてフラビン(flavin adenine dinucleotide; FAD)を含む。この光励起状態が近傍の3つのトリプトファン残基(W400, W377, W324)に段階的に正孔を渡して、長距離電荷分離状態(FAD-W324(H)+)を生成することが知られている。
このような各段階の電荷分離反応が効率的に起こるためには、電荷分離状態の静電相互作用による安定化を乗り越える必要がある。近年の分子動力学計算により、長距離電荷分離に伴う水和の効果やトリプトファン残基の構造変化が予測されているものの実験的に立体配置を明らかにした例はない。
この立体配置を明らかにする手法として、本研究では電子スピン分極イメージングという新規手法の開発に取り組んだ。基本的な理論についてはほぼ確立でき、構造の明らかな光合成タンパク質光化学系IIの電荷分離状態について適用することでほぼX線結晶構造解析と同じような構造が得られることがわかった。
本年度は、電荷分離状態の立体配置と電子的カップリングの実験的解明を目的として、天然型クリプトクロムにおける電荷分離状態の時間分解電子スピン共鳴測定を行った。得られた電子スピン共鳴スペクトルについて量子論に基づく解析を行い、さらに電子スピン分極イメージング法を適用することで、電荷分離状態を特徴づけるカラーマップを得ることに成功した。
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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
本年度の計画ではMATLABを用いた解析と可視化機能の実装を目指してプログラミングを行い、光合成タンパク質における電荷分離状態の構造解明については達成できた。既知の試料である紅色光合成細菌の他、光化学系IIにおいても同様に適用して、初期電荷分離状態の構造解明に成功した。
また、クリプトクロムにおいてもその電荷分離状態の時間分解電子スピン共鳴スペクトルの測定及び解析に取り組んでおり天然状態の電荷分離状態のイメージング画像を得ることができた。この実験については2年目以降に計画していた内容であるため当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
クリプトクロムにはトリプトファンが3つあり、その3つの電荷分離状態を全て測定して構造を解き明かすことがメカニズム解明に重要である。変異導入したクリプトクロムを用いて、3段階の電荷移動反応を途中で止めることで残る2つの電荷分離状態(FAD-W377)および(FAD-W400)の時間分解電子スピン共鳴計測を行い、電子スピンイメージングの解析を行うことで、結晶構造解析や量子化学計算の結果との比較を進め、クリプトクロムの電荷分離反応メカニズムの解明を目指す。また、パルス電子スピン共鳴法を用いた、別手法からの電荷分離状態の構造情報の取得を行い、電子スピンイメージング法の正当性有用性についての検討も進めていくことを計画している。
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