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2020 Fiscal Year Annual Research Report

クライオ電子顕微鏡を用いた光化学系II複合体の反応中間体の構造解析

Research Project

Project/Area Number 19K22396
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

秋田 総理  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (50751418)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宮崎 直幸  筑波大学, 生存ダイナミクス研究センター, 助教 (00634677)
加藤 公児  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任准教授 (30452428)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2021-03-31
Keywords光合成 / 光化学系 / クライオ電子顕微鏡
Outline of Annual Research Achievements

好熱性シアノバクテリアを大量培養し、抽出したチラコイド膜を可溶化し、光化学系II (PSII)を精製した。得られたPSIIは良質な結晶ができる程の高純度、高酸素発生活性を有していた。このPSIIを日本電子社CRYO ARM 300クライオ電子顕微鏡で観察することで、1.95オングストローム分解能の立体構造を解明した。これはX線結晶構造解析で決定された1.90オングストローム分解能のPSIIに匹敵するデータであった。分解能の向上の理由として、CRYO ARM 300の冷陰極電界放射型電子銃から発生する干渉性の高い電子ビームの効果が大きいと考えている。この構造はX線結晶構造と類似していたが、結晶構造では一部しか確認されていなかったPsbYサブユニットを完全な状態で確認することができた。これはクライオ電顕で決定された構造が、より生体内に近い状態を反映しているということを示している。しかしながら、一般的に用いられる電子線量で観察したにもかかわらず、PSIIの表在性サブユニットPsbOや活性中心のマンガンクラスターに電子線による損傷が見られた。PsbOの19番目と44番目のシステインはジスルフィド結合を形成するが、電子線による損傷を受けた部分は還元されて結合が切断される。そこで、最適な条件を検討するために、撮影した電顕イメージから使用するフレーム数を段階的に減らして構造解析を行なった。その結果、電子線による損傷を大幅に減少させ、尚且つ、高い精度を保った2.08オングストローム分解能のPSIIの構造が得られた。

  • Research Products

    (2 results)

All 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results)

  • [Journal Article] High-resolution cryo-EM structure of photosystem II reveals damage from high-dose electron beams2021

    • Author(s)
      Koji Kato, Naoyuki Miyazaki, Tasuku Hamaguchi, Yoshiki Nakajima, Fusamichi Akita, Koji Yonekura, Jian-Ren Shen
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 4 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1038/s42003-021-01919-3

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] FTIR Microspectroscopic Analysis of the Water Oxidation Reaction in a Single Photosystem II Microcrystal2020

    • Author(s)
      Yuki Kato, Satoshi Haniu, Yoshiki Nakajima, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen, Takumi Noguchi
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. B

      Volume: 124 Pages: 121-127

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.9b10154

    • Peer Reviewed / Open Access

URL: 

Published: 2021-12-27  

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