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光化学系II酸素発生中心における再活性化機構についての理論的解明

公募研究

研究領域光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
研究課題/領域番号 18H05154
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
研究機関筑波大学

研究代表者

庄司 光男  筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2018年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード光化学系II / 人工光合成 / 反応機構 / 反応経路 / O-O結合形成 / 水分解反応 / QM/MM / 非ラジカル機構 / 光合成 / QMMM / 活性化 / 再活性化 / クラスター再構築 / 構造変化 / 反応機構解明 / 再構築 / プロトン化
研究実績の概要

光合成は太陽光エネルギーを使って化学エネルギーを作り出している。光合成の最初の化学反応は、光化学系II(PSII)で起こる水分解反応である。本反応は自然界のエネルギー源として重要な仕組みであるのみならず、人工光合成系を創生していくためにも極めて重要である。
本研究では、自然系で得られた知見を人工光合成系に応用し、対応関係や模倣、分子モデリングすることで、人工光合成の進展に理論研究から寄与する。人工光合成とは分子錯体と半導体(固体)表面を対象にする。
I4LEC新学術領域の班間連携を実施し、人工光合成系での水分解酸素生成反応機構について理論解析を実施した。現在まだ論文出版に至っていないため、連携研究内容を報告することができないが、人工系での律速反応過程を同定することができた。また、実験結果と対応する理論解析結果を得ることができた。人工系は自然系と異なる反応機構を取っていることがわかった。そのため、人工触媒は高耐性(TON)、高効率(TOF)、低コスト(低過電圧)に必要な改善の余地が十分に残されていることが明らかになった。なるべく早く論文発表できるように取り組む。
自然系の理論解析については、大規模QM/MMモデルを用いて、全てのS状態のMnクラスターの構造解析を実施した。その結果、岡山グループとバークレーグループのSFX結果をMn-Mn, Mn-Ca距離で良く再現されることを明らかにした。しかしながら、O6位置(O5-O6距離)については、再現が難しく、さらなる検討(電子状態、プロトン化状態、混合状態)が必要となることを示した。PSII以外にもラジカル機構が提唱されている酸化酵素で反応機構の理論解析を実施した。その結果、非ラジカル機構を取ることを初めて明らかにした。この結果はPSIIのCBS機構とよく類似することを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 1件、 査読あり 10件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 8件、 招待講演 7件) 図書 (2件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] University of Strasbourg(フランス)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Reaction Mechanism of Monomeric Sarcosine Oxidase with N-Cyclopropylglycine2020

    • 著者名/発表者名
      M.Shoji, Y.Abe, M.Boero, Y.Shigeta, Y.Nishiya
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: - 号: 29 ページ: 16552-16561

    • DOI

      10.1039/d0cp01679a

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Elucidation of the entire Kok cycle for photosynthetic water oxidation by the large-scale quantum mechanics/molecular mechanics calculations: Comparison with the experimental results by the recent serial femtosecond crystallography2019

    • 著者名/発表者名
      Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Shen Jian-Ren、Suga Michihiro、Akita Fusamichi、Miyagawa Koichi、Shigeta Yasuteru、Yamaguchi Kizashi
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 730 ページ: 416-425

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2019.06.026

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Domain-based local pair natural orbital CCSD(T) calculations of fourteen different S2 intermediates for water oxidation in the Kok cycle of OEC of PSII. Re-visit to one LS-two HS model for the S2 state2019

    • 著者名/発表者名
      Miyagawa K.、Isobe H.、Kawakami T.、Shoji M.、Yamanaka S.、Okumura M.、Nakajima T.、Yamaguchi K.
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 734 ページ: 136731-136731

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2019.136731

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Domain-based local pair natural orbital CCSD(T) calculations of six different S1 structures of oxygen evolving complex of photosystem II. Proposal of multi-intermediate models for the S1 state2019

    • 著者名/発表者名
      Miyagawa K.、Kawakami T.、Isobe H.、Shoji M.、Yamanaka S.、Nakatani K.、Okumura M.、Nakajima T.、Yamaguchi K.
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 732 ページ: 136660-136660

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2019.136660

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Domain-based local pair natural orbital CCSD (T) calculations of strongly correlated electron systems: Examination of dynamic equilibrium models based on multiple intermediates in S1 state of photosystem II2019

    • 著者名/発表者名
      K Miyagawa, H Isobe, T Kawakami, M Shoji, S Yamanaka, M Okumura, T Nakajima, K Yamaguchi
    • 雑誌名

      Molecular Physics

      巻: - 号: 12 ページ: 1666171-1666171

    • DOI

      10.1080/00268976.2019.1666171

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Possibility of the right-opened Mn-oxo intermediate (R-oxo(4444)) among all nine intermediates in the S3 state of the oxygen-evolving complex of photosystem II revealed by large-scale QM/MM calculations2019

    • 著者名/発表者名
      Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Miyagawa Koichi、Yamaguchi Kizashi
    • 雑誌名

      Chemical Physics

      巻: 518 ページ: 81-90

    • DOI

      10.1016/j.chemphys.2018.11.003

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theory of chemical bonds in metalloenzymes XXII: a concerted bond-switching mechanism for the oxygenーoxygen bond formation coupled with one electron transfer for water oxidation in the oxygen-evolving complex of photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      K Yamaguchi, M Shoji, Hiroshi Isobe, K Miyagawa, K Nakatani
    • 雑誌名

      Molecular Physics

      巻: 2018 号: 17 ページ: 1-35

    • DOI

      10.1080/00268976.2018.1552799

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書 2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonadiabatic one-electron transfer mechanism for the O-O bond formation in the oxygen-evolving complex of photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Shoji, Hiroshi Isobe, Yasuteru Shigeta, Takahito Nakajima, Kizashi Yamaguchi
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 698 ページ: 138-146

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2018.02.056

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Concerted Mechanism of Water Insertion and O2 Release during the S4 to S0 Transition of the Oxygen-Evolving Complex in Photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Shigeta Yasuteru、Nakajima Takahito、Yamaguchi Kizashi
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 122 号: 25 ページ: 6491-6502

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.8b03465

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 光化学系II酸素発生中心の反応機構2018

    • 著者名/発表者名
      庄司光男
    • 雑誌名

      アンサンブル

      巻: 40(4) ページ: 238-242

    • NAID

      130007739813

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 光合成水分解反応の反応機構についての理論的探求2019

    • 著者名/発表者名
      庄司光男
    • 学会等名
      ミニシンポジウム 『生命科学と物質科学の融合による新規エネルギー・物質変換技術の創造をめざして』
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Water-Splitting Reactions in the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II Revealed by QM/MM calculations2019

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Shoji
    • 学会等名
      ICOPP2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spin States and O-O bond formation mechanisms in the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II2019

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Shoji
    • 学会等名
      AWEST2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 光化学系II酸素発生中心における水分解反応機構についての理論解析2019

    • 著者名/発表者名
      庄司光男
    • 学会等名
      第46回生体分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Catalytic Reaction Mechanisms Found by using the GLAS Algorithm2019

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Shoji,
    • 学会等名
      ICPAC 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 光合成酸素発生機構の分子メカニズム2019

    • 著者名/発表者名
      庄司光男
    • 学会等名
      筑波大プレ戦略研究会「生命から学ぶ」プログラム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Reaction mechanism of water splitting in photosystem II revealed by QM/MM calculations2019

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Shoji
    • 学会等名
      11th symposium on Discovery, Fusion, Creation of New Knowledge by Multidisciplinary Computational Sciences, CCS International Symposium 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Elucidation of the Entire Kok Cycle of the Photosynthetic Water Oxidation Using QM/MM Calculations2019

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Shoji
    • 学会等名
      3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) and International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 光化学系II酸素発生中心でのS3→S0反応機構2018

    • 著者名/発表者名
      庄司光男
    • 学会等名
      第1回合同班会議, 伊東、静岡(口頭)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] A new approach for searching reaction pathways applicable to quantum mechanical calculations2018

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Shoji
    • 学会等名
      CCS-;EPCC Joint Workshop, Edinburgh Parallel Computing Centre (EPCC), University of Edinburgh (Oral)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 分子構造探索および反応経路探索のための新手法(GLAS 法)の提唱2018

    • 著者名/発表者名
      庄司光男、常盤恭樹、山崎笙太朗、栢沼愛、重田育照
    • 学会等名
      第21回理論化学討論会、岡崎カンファレンスセンター、岡崎 (口頭)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] QM/MM study on the O2 formation and O2 release mechanism in the oxygen-evolving complex of photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      M.Shoji, H.Isobe, Y.Shigeta, T.Nakajima, K.Yamaguchi
    • 学会等名
      the 56th Annual Meeting of The BioPhysical Society of Japan, Okayama University, Okayama (oral)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] QM/MM study on the S state transitions of the oxygen-evolving complex in photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      M.Shoji, H.Isobe, Y.Shigeta, T.Nakajima, K.Yamaguchi
    • 学会等名
      the 43rd International Conference on Coordination Chemistry (ICCC2018), Sendai, Miyagi (oral invited)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] Gaussian16で始める量子化学超入門2019

    • 著者名/発表者名
      庄司光男
    • 総ページ数
      70
    • 出版者
      Amazon Kindle direct publishing (電子書籍)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [図書] フリーソフトで始める分子モデリング2019

    • 著者名/発表者名
      庄司光男
    • 総ページ数
      70
    • 出版者
      Amazon Kindle direct publishing (電子書籍)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 研究紹介ページ

    • URL

      https://www2.ccs.tsukuba.ac.jp/people/mshoji/index.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 研究グループホームページ

    • URL

      https://www2.ccs.tsukuba.ac.jp/people/mshoji/

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-01-27  

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