超高輝度極端パルスXFEL光を用いた光化学系II複合体の無損傷結晶構造解析

• 研究課題/領域番号: 26840023
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 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, 自然科学研究科, 助教 (60634920)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2015年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2014年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: 光化学系II / 膜タンパク質 / 光合成 / 結晶構造解析 / X線自由電子レーザー / 無損傷 / 光化学系II複合体 / XFEL

研究成果の概要

光化学系IIの結晶構造は放射線損傷を受けていることが指摘されていた。そこでSACLAのX線自由電子レーザー（XFEL）と何百の巨大で同型な結晶を用いてS1状態における無損傷構造を1.95A分解能で解析した。XFELによって決定したOECではMn-Mn原子間の距離がこれまでの結晶構造よりも0.1-0.2A短くなっていた。構造にもとづき，水分解反応の開始状態では酸素発生中心を構成するMnの価数はMn1が+3，Mn2が+4，Mn3が+4，Mn4が+3であることを明らかにした。これらの結果は水分解の反応機構を解明するための構造基盤を提供し, 水分解の人工触媒合成のための設計図ともなり得ると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Structure and energy transfer pathways of the plant photosystem I-LHCI supercomplex (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, X. Qin, T. Kuang and J.R. Shen
  • 雑誌名: Current Opinion in Structural biology 巻: in press ページ: 46-53
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2016.04.004
  • NAID: 120006337928
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2015)
  • 著者名/発表者名: X. Qin, M. Suga, T. Kuang and J.R. Shen
  • 雑誌名: Science 巻: 348 号: 6238 ページ: 989-995
  • DOI: 10.1126/science.aab0214
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the guiding principles for lucid understanding of the damage-free Sl Structure of the CaMn405 cluster in the oxygen evolving complex of photosystem II (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, M. Suga, F. Akita, J.-R. Shen, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 627 ページ: 44-52
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.03.033
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical studies of the damage-free SI structure of the CaMn405 cluster in oxygen-evolving complex of photosystem II (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, M. Suga, F. Akita, J.-R. Shen, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 623 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.01.030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Native structure of photosystem II at 1.95 Å resolution viewed by femtosecond X-ray pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Kunio Hirata, Go Ueno, Hironori Murakami, Yoshiki Nakajima, Tetsuya Shimizu, Keitaro Yamashita, Masaki Yamamoto, Hideo Ago, Jian-Ren Shen
  • 雑誌名: Nature 巻: 517 号: 7532 ページ: 99-103
  • DOI: 10.1038/nature13991
  • NAID: 120005656446
  • 査読あり
• [学会発表] X線結晶構造解析による光化学系の 構造機能研究のこれまでとこれから (2016)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 構造を基盤とする蛋白質科学における未解決問題
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2016-03-01
  • 招待講演
• [学会発表] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Suga
  • 学会等名: Bridging the gap: from structure to fuctional dynamics of photosynthesis related protein complexes
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2016-02-02
  • 招待講演
• [学会発表] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2015)
  • 著者名/発表者名: Suga M, Qin X, Kuang T and Shen JR
  • 学会等名: The 13th Conference of the Asican Crystallographic Association (AsCA2015)
  • 発表場所: Kolkata, India
  • 年月日: 2015-12-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution revealed by XFEL pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga
  • 学会等名: The 13th Conference of the Asican Crystallographic Association (AsCA2015)
  • 発表場所: Kolkata, India
  • 年月日: 2015-12-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution revealed by XFEL pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga
  • 学会等名: Japan-Korea joint workshop on XFEL sciences
  • 発表場所: Gyeongju, Korea
  • 年月日: 2015-10-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高等植物光化学系I-集捕集アンテナI 超複合体におけるエネルギー伝達経路の構造基盤 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，Xiaochun Qin, Tingyun Kuang，沈建仁
  • 学会等名: 日本結晶学会2015年度年会
  • 発表場所: 大阪府
  • 年月日: 2015-10-17
• [学会発表] 酸素発生型光合成を司る光化学系II複合体と光化学系I複合体の結晶学的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛
  • 学会等名: 日本結晶学会進歩賞受賞講演
  • 発表場所: 大阪府
  • 年月日: 2015-10-17
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーによって明らかにされた光化学系II複合体の1.95Å分解能での無損傷構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • 学会等名: 日本生物物理学会若手招待講演
  • 発表場所: 石川県
  • 年月日: 2015-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, F. Akita, K. Hirata, G. Ueno, H. Murakami, Y. Nakajima, T. Shimizu, K.Yamashita, M. Yamamoto, H. Ago and J.-R. Shen
  • 学会等名: 37th International Free Electron Laser Conference (FEL2015)
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2015-08-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II in the S1 state at 1.95 Å resolution (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, F. Akita, K. Hirata, G. Ueno, H. Murakami, Y. Nakajima, T. Shimizu, K.Yamashita, M. Yamamoto, H. Ago and J.-R. Shen
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Photosynthesis
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2015-07-28
  • 国際学会
• [学会発表] フェムト秒X線レーザーを用いた光化学系II複合体の1.95Å分解能での無損傷結晶構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会若手奨励賞シンポジウム
  • 発表場所: 徳島県
  • 年月日: 2015-06-24
  • 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of oxygen evolving photosystem II at 1.95Å resolution revealed by X-ray Free Electron Laser (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • 学会等名: 第6回日本光合成学会年会
  • 発表場所: 岡山県
  • 年月日: 2015-05-22
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95A resolution (2015)
  • 著者名/発表者名: Michi Suga
  • 学会等名: The 1st SACLA Workshop on Femtosecond Crystallography
  • 発表場所: 兵庫県
  • 年月日: 2015-03-26
  • 招待講演
• [学会発表] 光合成で酸素が発生する仕組み (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛
  • 学会等名: テニュアトラック推進機構医学系物質科学分野セミナー「蛋白質立体構造解析の最前線」
  • 発表場所: 宮崎県
  • 年月日: 2015-03-23
  • 招待講演
• [学会発表] フェムト秒X 線自由電子レーザーによって得られた1.95A 分解能での天然状態の光化学系II 複合体の結晶構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛ら
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 東京都
  • 年月日: 2015-03-16
• [学会発表] Native structure of photosystem II at 1.95A resolution revealed by a femtosecond X-ray laser (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Suga et al
  • 学会等名: ICARP 2014
  • 発表場所: 兵庫県
  • 年月日: 2014-11-24
• [学会発表] XFEL を用いた光化学系II 複合体の無損傷結晶構造解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛ら
  • 学会等名: 日本結晶学会年会
  • 発表場所: 東京都
  • 年月日: 2014-11-01
• [学会発表] Crystal structure at 1.5A resolution of the PsbV2 cytochrome from the cyanobacterium Thermosynechococcus elongates. (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Suga et al
  • 学会等名: 第５回日本光合成学会年会
  • 発表場所: 奈良県
  • 年月日: 2014-05-30
• [備考] 光合成光化学系Ｉ複合体の構造を解明～光エネルギーの高効率利用に前進～
  • URL: http://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id303.html
• [備考] 高等植物の光化学系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
  • URL: http://first.lifesciencedb.jp/archives/10310
• [備考] フェムト秒X線レーザーにより明らかにされた1.95Å分解能における光化学系II複合体の天然状態の構造
  • URL: http://first.lifesciencedb.jp/archives/9574
• [備考] 光化学系Ⅱ複合体の正確な三次元原子構造を解明 －人工光合成開発への糸口に－
  • URL: http://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id251.html