X線自由電子レーザーを用いた光化学系IIの反応中間体の構造解析

• 研究課題/領域番号: 16H06162
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 構造生物化学
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 菅 倫寛 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (60634920)
• 研究協力者: 沈 建仁
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 24,570千円 (直接経費: 18,900千円、間接経費: 5,670千円); 2018年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2017年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2016年度: 14,040千円 (直接経費: 10,800千円、間接経費: 3,240千円)
• キーワード: 光化学系 / 光合成 / X線自由電子レーザー / 動的構造 / ダイナミクス / 膜タンパク質 / 人工光合成 / 量子ビーム / X線自由レーザー / Ｘ線自由電子レーザー / X線結晶構造解析

研究成果の概要

光化学系II（PSII）の酸素発生複合体（OEC）の構造は高分解能で解析されている。しかし、 水分解反応の中間体状態に相当する構造は原子分解能では解析されておらず、反応機構への理解は限定的である。研究代表者らはPSIIの微小結晶を用いて、二閃光照射により励起させたPSIIの反応中間体S3状態を調製し、XFELを用いて構造を2.35A分解能で決定した。S1状態との差の電子密度より光励起によって起こる構造変化を確認した。OECの周辺では、これまで基質の候補とされていたオキソ酸素の一つであるO5近辺への新しい水分子O6の挿入が確認されたことからO5とO6がO=O結合を形成する反応機構を提唱した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光化学系IIは可視光による水分子の酸化反応を触媒することのできる唯一の天然触媒である。今回X線自由電子レーザーを利用した反応中間体の構造解析によりO6とよばれる水分子が触媒部分に取り入れられることで水分解反応が起こるということを実験的に観察し、触媒反応の基本原理を世界で初めて実証した。この知見は再生可能でクリーンなエネルギーを作り出す人工光合成研究への応用も期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] Key Laboratory of Photobiology/Institute of Botany/Chinese Academy of Science(中国)
• [国際共同研究] フランス国立科学研究センター(フランス)
• [雑誌論文] Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms (2019)
  • 著者名/発表者名: Wang Wenda、Yu Long-Jiang、Xu Caizhe、Tomizaki Takashi、Zhao Songhao、Umena Yasufumi、Chen Xiaobo、Qin Xiaochun、Xin Yueyong、Suga Michihiro、Han Guangye、Kuang Tingyun、Shen Jian-Ren
  • 雑誌名: Science 巻: 363 号: 6427
  • DOI: 10.1126/science.aav0365
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thylakoid membrane lipid sulfoquinovosyl-diacylglycerol (SQDG) is required for full functioning of photosystem II in Thermosynechococcus elongatus (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, Y., Umena, Y., Nagao, R., Endo, K., Kobayashi, K., Akita, F., Suga, M., Wada, H., Noguchi, T., Shen, J.-R.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 293 号: 38 ページ: 14786-14797
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.004304
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fourier Transform Infrared Analysis of the S-State Cycle of Water Oxidation in the Microcrystals of Photosystem II (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato Yuki、Akita Fusamichi、Nakajima Yoshiki、Suga Michihiro、Umena Yasufumi、Shen Jian-Ren、Noguchi Takumi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 9 号: 9 ページ: 2121-2126
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00638
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of photosynthetic LH1-RC supercomplex at 1.9 A resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Yu Long-Jiang、Suga Michihiro、Wang-Otomo Zheng-Yu、Shen Jian-Ren
  • 雑誌名: Nature 巻: 556 号: 7700 ページ: 209-213
  • DOI: 10.1038/s41586-018-0002-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure and redox properties of a novel cyanobacterial heme protein with a His/Cys heme axial ligation and a Per-Arnt-Sim (PAS)-like domain (2017)
  • 著者名/発表者名: Motomura Taiki、Suga Michihiro、Hienerwadel Rainer、Nakagawa Akiko、Lai Thanh-Lan、Nitschke Wolfgang、Kuma Takahiro、Sugiura Miwa、Boussac Alain、Shen Jian-Ren
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 292 号: 23 ページ: 9599-9612
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.746263
  • NAID: 120006473741
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL. (2017)
  • 著者名/発表者名: Suga, M.†, Akita, F.†, Sugahara, M.†, Kubo, M.†, Nakajima, Y.† et al. (†equal contribution)(38人中1番目)
  • 雑誌名: Nature 巻: 543 号: 7643 ページ: 131-135
  • DOI: 10.1038/nature21400
  • NAID: 120006344935
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Large-scale QM/MM calculations of the CaMn4O5 cluster in the S3 state of the oxygen evolving complex of photosystem II. Comparison between water-inserted and no water-inserted structures. (2017)
  • 著者名/発表者名: Shoji M, Isobe H, Nakajima T, Shigeta Y, Suga M, Akita F, Shen JR and *Yamazaki K.
  • 雑誌名: Faraday Discussions 巻: 198 ページ: 83-106
  • DOI: 10.1039/c6fd00230g
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 光合成光化学系IIの反応中間体の結晶構造と酸素発生反応機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛, 沈建仁 (招待講演)
  • 学会等名: 第18回日本蛋白質科学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Structure of oxygen evolving photosystem II and possible mechanism for the O=O bond formation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Michi Suga (invited talk)
  • 学会等名: SACLA Users’ meeting 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure of oxygen evolving photosystem II and possible mechanism for the O=O bond formation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Michi Suga, Jian-Ren Shen (invited talk)
  • 学会等名: The 56th annual meeting of the biophysical society of Japan
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの光励起した反応中間体構造および水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛，秋田総理，菅原道泰，久保 稔，中島芳樹，岩田 想，沈 建仁
  • 学会等名: 第17回日本蛋白質科学会
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛
  • 学会等名: 分子研研究会
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの光励起した反応中間体構造および水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛，秋田総理，菅原道泰，久保 稔，中島芳樹，岩田 想，沈 建仁
  • 学会等名: ConBio2017
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーにより明らかにされた光学系IIの水分解・酸素発生の反応機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛，沈 建仁
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第43回討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 光合成蛋白質の構造と機能に関する結晶学的研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会授賞式
  • 招待講演
• [学会発表] 光合成膜タンパク質複合体の構造機能研究. (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛
  • 学会等名: 第169委員会第52回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 高等植物光化学系I-光捕集アンテナI超複合体におけるエネルギー伝達経路の構造基盤 (2016)
  • 著者名/発表者名: 菅 倫寛、Xiaochun Qin, Tingyun Kuang, 沈 建仁
  • 学会等名: 第７回日本光合成学会年会およびシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Structural studies of photosystems (2016)
  • 著者名/発表者名: Michi Suga
  • 学会等名: Finnish-Japanese symposium 2016 Integration of photosynthesis with cellular metabolism: towards suitable biochemistry.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure of an intermediate S-state of photosystem II reveled by XFELs (2016)
  • 著者名/発表者名: Michi Suga
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [備考] 反応中心LH1-RC超複合体の構造解析についてプレス発表,日刊工業新聞,読売新聞,山陽新聞で紹介
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id535.html
• [備考] 光化学系IIの構造解析についてプレス発表,日経新聞,朝日新聞,読売新聞,毎日新聞,山陽新聞などで紹介
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id448.html