2014 Fiscal Year Annual Research Report
| Project/Area Number |
24000018
|
|---|
| Research Institution | Okayama University |
|---|
Principal Investigator |
沈 建仁 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (60261161)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野口 巧 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60241246)
山口 兆 大阪大学, 産業科学研究所, 名誉教授 (80029537)
庄司 光男 筑波大学, 数理物理科学研究科(系), 助教 (00593550)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2012-05-29 – 2017-03-31
|
| Keywords | 光合成 / 水分解 / 光化学系II / 結晶構造解析 / フーリエ変換赤外分析法 / 量子計算 / 酸素発生 / 密度汎関数法 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
1. 光化学系II(PSII)の無損傷構造を、大型結晶と理化学研究所SACLAのフェムト秒X線自由電子レーザー(XFEL)を利用して1.95Å分解能で解析し、水分解のS_1状態におけるMn_4CaO_5クラスターの天然構造を明らかにした。その結果、Mn-Mn, Mn-0の原子間距離に関するより精密な情報が得られ、水分解反応機構の解明に必要な基盤を確立した。
2. フーリエ変換赤外分光法(FTIR)および量子化学計算を用いて、Mn_4CaO_5クラスターの直接の電子供与体であるチロシンY_zの反応と水素結合構造を調べ、Mn_4CaO_5クラスターからY_zを経由する新規なプロトン放出機構を提唱した。
3. FTIR分光電気化学計測を用い、PSIIにおけるMn_4CaO_5クラスターと非ヘム鉄-キノン複合体との長距離相互作用の存在を明らかにした。また、FTIR測定により、シアノバクテリアの表在性タンパク質の水分解反応における役割を明らかにした。
4. 水分解反応のS_3中間体について、Mn_4CaO_5クラスターの電荷・スピン状態、配位水のプロトン化状態、水素結合パターンの違いを考慮した密度汎関数法(DFT)による構造最適化を実施し、得られた結果に基づき、タンパク場や水素結合ネットワークによるMn_4CaO_5クラスターの構造、電子状態、反応性への制御様式を明らかにした。また、2015年に発表されたPSIIの無損傷構造を理論的に検討し、05がプロトン化(OH)されている可能性を確認した。Mn_4CaO_5クラスターの構造を特徴づけるMna-Mnb距離とMna-05距離の相関について経験式を導き、これまでの実験と理論結果をすべて網羅的に解析した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
長年, PSIIのMn_4CaO_5クラスターがX線による還元を受け、構造が変化しているとの議論がなされてきたが、自由電子レーザーXFELのフェムト秒X線を利用した無損傷の結晶構造解析を行い、、S1状態の構造を確定したことが大きな成果である。理論研究により、この無損傷XFEL構造は05がプロトン化されている可能性が示され、酸素生成反応に関わっていることが示唆された。更に、S3状態は性質(電荷・スピン状態)の異なる中間体が混在した不均一な集合体であり、熱揺らぎによるアミノ酸残基の振動状態の変化や水素結合ネットワークの組み換えがMn_4CaO_5クラスターの構造・電子状態変化およびそれに伴う基質水分子の酸化的活性化を誘発し、その結果としてO-O結合が形成される可能性があることが明らかになった。これらにより、PSIIにおける酸素発生機構が大きく進展した。さらに赤外分光解析と量子化学計算から、水分解反応における全く新規なプロトン移動機構を提唱することができた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
PSIIにおける水分解反応の機構を完全に解明するため、反応中間体、特にS3中間体の結晶構造解析を行う。これまでも大型のPSII結晶を用いて光照射によるS3中間体の作成・構造解析を試みたが、結晶が大きいため、光が結晶の中まで到達できず、S3の生成効率が低いことが判明した。このため、より小さい結晶(100μm程度)を用いて、室温における閃光照射、あるいは特定の温度(200-240K)における連続光照射によりS3中間体を作成し、SPring-8の放射光X線、もしくはSACLAの自由電子レーザーを利用して回折データを収集し、構造解析を行う。SPring-8の放射光を用いた実験では、多数の結晶を凍結して回折データを収集する必要があるので、小さい結晶から十分分解能の高いデータを得られるよう凍結条件の最適化を行う。一方、SACLAの自由電子レーザーを利用した実験では、室温による閃光照射と微結晶を利用したシリアルフェムト秒クリスタルグラフィー(SFX)との組み合わせにより高分解能の回折データを収集し、構造解析を行う。
水分解反応に伴うプロトンの放出機構を明らかにするため、FTIR法と量子化学計算を用い、水分解マンガンクラスターの周囲に存在する水分子の水素結合ネットワークの構造を調べ、その分子振動から水分解の際のプロトン移動機構を明らかにする。また、マンガンクラスター近傍のアミノ酸残基に部位特異的変異を施し、そのFTIR解析を行い、光化学系Ⅱタンパク質内におけるプロトン移動経路を確定する。さらに高精度量子化学計算の手法を用いて各中間状態間の反応、特に電子・プロトン移動と酸素発生の化学反応機構について理論的に解析する。また、京コンピューターの一般利用に採択されたことにより、これまでの理論研究方法を応用することで、PSIIの大部分を含む超大規模電子状態解析が可能となる。それにより、活性中心の極近傍だけでなく、PSII蛋白質複合体の役割について明らかにする。
|
Research Products
(105 results)
-
-
-
-
[Journal Article] Native structure of photosystem II at 1.95 Å resolution viewed by femtosecond X-ray pulses2015
Author(s)
Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Kunio Hirata, Go Ueno, Hironori Murakami, Yoshiki Nakajima, Tetsuya Shimizu, Keitaro Yamashita, Masaki Yamamoto, Hideo Ago, Jian-Ren Shen
-
Journal Title
Nature
Volume: 517
Pages: 99-103
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Journal Article] A 1.9 Å resolution structure of 420 kDa cytochrome oxidase by femtosecond crystallography2014
Author(s)
Hirata K., Shinzawa-Itoh K., Yano N., Takemura S., Kato K., Muramoto K., Kawahara T., Tsukihara T., Yamashita E., Tono K., Ueno G., Hikima T., Murakami H., Inubushi Y., Yabashi M., Ishikawa T., Yamamoto M., Ogura T., Sugimoto H., Shen J.-R., Yoshikawa S and Ago H.
-
Journal Title
Nature Methods
Volume: 11
Pages: 734-736
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] Native structure of photosystem II at 1.95 A resolution revealed by a femtosecond X-ray laser2014
Author(s)
Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Kunio Hirata, Go Ueno, Hironori Murakami, Yoshiki Nakajima, Tetsuya Shimizu, Keitaro Yamashita, Masaki Yamamoto, Hideo Ago, Jian-Ren Shen
Organizer
2014 International Conference on Artificial Photosynthesis (ICARP2014)
Place of Presentation
Awaji, Japan
Year and Date
2014-11-24 – 2014-11-28
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] Development of an artificial light-driven water splitting nano-device using photosynthetic proteins and metal nanoparticles2014
Author(s)
Kazuki Tahara, Kousuke Kawahara, Keisuke Namie, Natsuko Inoue, Ryo Nagao, Yuki Kato, Tatsuya Tomo, Yutaka Shibata, Hiroshi Fukumura, Yasuhiro Kashino, Takumi Noguchi
Organizer
日本生物物理学会年会
Place of Presentation
札幌
Year and Date
2014-09-25 – 2014-09-27
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] Determination of damage-free crystal structure of X-ray sensitive proteins using SACLA2014
Author(s)
Masaki Yamamoto, Kunio Hirata, Kyoko Shinzawa-Itoh, Naomine Yano, Shuhei Takemura, Koji Kato, Tomitake Tsukihara, Eiki Yamashita, Go Ueno, Hironori Murakami, Takashi Ogura, Hiroshi Sugimoto, Jian-Ren Shen, Shinya Yoshikawa3 and Hideo Ago
Organizer
American Crystallographic Association Annual Meeting
Place of Presentation
Albuquerque, NM, USA
Year and Date
2014-05-24 – 2014-05-28
-
-
-
-
-
[Book] “Large-Scale QM/MM Calculations of Hydrogen Bonding Networks for Proton Transfer and Water Inlet Channels for Water Oxidation-Theoretical System Models of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II”, Adv. Quantum. Chem, 7, 325-4132014
Author(s)
M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen, T. Nakajima, K. Yamaguchi
Total Pages
89(325-413)
Publisher
Elsevier Inc
-
-
