2020 Fiscal Year Annual Research Report
Photosynthesis Reaction Mechanism of Photosystem II Protein Studied by Ultrafast Soft X-ray Absorption Spectroscopy
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19H02680
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
長坂 将成 分子科学研究所, 光分子科学研究領域, 助教 (90455212)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
足立 純一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 研究機関講師 (10322629)
手老 龍吾 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40390679)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 軟X線吸収分光法 / 光化学系IIタンパク質 / 時間分解測定 / 光合成反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
天然の光合成反応の機構を解明するには、光化学系II (PSII)タンパク質の酸素発生中心と水の分子間相互作用を調べる必要がある。そのために、水とPSIIの主要な元素の電子状態を調べることができる軟X線吸収分光(XAS)測定と、タンパク質包含脂質二重膜の調製法を組み合わせ、膜タンパク質であるPSIIが機能を発現する状態でのXAS測定を実現することを目的とする。また、フェムト秒レーザーと放射光の同期による超高速XAS測定システムを開発することで、最終的にはPSIIタンパク質の光合成反応の機構解明を目指している。昨年度までに液体セルを構成する窒化シリコン膜にPSIIタンパク質が機能を維持した状態で担持する方法を確立した。今年度は、XAS測定の妨げとなる高次回折光を除去する技術開発を行うことで、高い精度で膜タンパク質のXAS測定を行えるようにした。そして、脂質二重膜のO-K吸収端XAS測定を行った。更に、内殻励起計算も行うことで、XASのピークシフトから水中の脂質二重膜とナトリウムイオンの相互作用を明らかにした。また、PSIIタンパク質においても、高精度なO-K吸収端XASスペクトルを得ることに成功した。今後は、PSIIの担持量を増やすことで、PSIIのMn-L, Ca-L吸収端XASスペクトルを高精度で得ることを目標とする。本年度は溶液XAS測定装置をKEK-PFの軟X線ビームラインBL-13Aに接続して、800 kHzの繰り返し周波数での、フェムト秒レーザーと放射光の同期による溶液光化学反応の超高速XAS測定システムも構築した。また、鉄錯体水溶液のFe-L, N-K吸収端XAS測定と、クロロフィルa溶液のMg-K, C-K吸収端XAS測定を行った。これにより、将来的に金属錯体溶液の光励起による金属－配位子間電子遷移の超高速XAS測定につなげていく予定である。
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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
本年度は当初の計画通りに、高次回折光を除去するガスフィルターを開発することで、脂質二重膜とPSIIタンパク質包含脂質二重膜のO-K吸収端XAS測定を高精度に行うことに成功した。また、内殻励起計算の整備も行うことで、XASのスペクトル変化から液中の分子間相互作用を調べる方法論を確立した。また、開発した溶液XAS測定装置を用いて超高速XAS測定を行うために、KEK-PFに装置を移設した。これにより、フェムト秒レーザーと放射光の同期による溶液光化学反応の超高速XAS測定を行えるようにした。また、この装置でクロロフィルa溶液などの金属錯体溶液のXAS測定を行えることを確かめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の進め方として、まずはPSIIタンパク質の高精度XAS測定を行う予定である。これまでの技術開発により、PSIIの担持量を増やすことができれば、PSIIのMn-L, Ca-L吸収端XAS測定が高精度で行えることが分かっている。また、PSIIタンパク質の部位ごとに内殻励起計算を行う方法論を確立することで、PSII全体の内殻励起スペクトルの計算の実現を計画している。溶液光化学反応の超高速XAS測定については、開発した測定システムを用いて、クロロフィルa溶液などの基礎的な金属錯体溶液のXAS測定を行う予定である。これにより、金属錯体の金属―配位子間電子遷移を中心金属と配位子の両側から調べる予定である。最終的には、上記の測定方法を組み合わせることで、PSIIタンパク質の光合成反応の超高速XAS測定を行う予定である。
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