• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

光合成マンガンクラスターに酸素発生機能をもたらす基本原理の抽出と検証

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 18H05167
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
研究機関岡山大学

研究代表者

磯部 寛  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任准教授 (00379281)

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
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2019年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2018年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワード光合成 / 光化学系II / マンガンクラスター / 水分解反応 / 機能発現
研究実績の概要

水を分解し生物の生存に必要な酸素を作り出す触媒であるMn4CaO5クラスターは、電子の授受に伴ってその構造を巧妙に変化させることで触媒活性を示す。本研究では、機能を発現する上で本質的に重要だと考えられる概念や原理・法則を見出すため、電子の属性である「電荷」と「スピン」に着目して、触媒がどのように化学反応を進めているのかを調べた。その結果、Mnクラスターが外部刺激に応答してその物理化学的挙動を変化させるスイッチング機能をもっていることが判明した。スイッチングは、基質水分子が高い酸化状態にあるクラスターの配位不飽和金属サイトに結合することでトポロジカル構造が異なる構造異性体と金属の電荷状態の間の対応関係が反転する現象を利用して、分子レベルで起こる。この機構において重要な役割を果たしているのが、基本構成原子であるMnイオンの電荷とスピンの可変性である。特に、Mn3+はヤーン・テラー(JT)効果によりeg軌道から生じる極めて強い方向性をもち、配位子の原子軌道と効果的な重なりを形成する。基質が捕捉されてスイッチがONになると、各MnイオンのJT歪みに起因する局所配位構造変化と電荷状態変化が協応し、ある特定の全体構造変化が誘起されることで、JT軸が1つに集まるクラスター内部の疎水空間において金属と基質間の共有結合性が高まる。この協同効果により、基質の結合により引き起こされる金属の電荷状態変化を金属と基質間の多電子移動として効率よく取り出せるようになる。つまり、スイッチ機能により、非常に困難な水の酸化反応を、適切なタイミングで、高い収率で、限りなく低い過電圧で触媒することができるようになると同時に、電荷担体の流れに整流性が発現する。このような触媒・整流器としての作動が分子レベルで可能になるのは、JT効果を鍵要素とする構成原子が「歪んだ椅子」を形成するように配置されているからに他ならない。

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

    (21件)

すべて 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (16件) (うち査読あり 16件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] UNO(ULO) active space for multireference calculations on classical and quantum computers. Revisit to the iron-sulfur complexes2020

    • 著者名/発表者名
      Miyagawa Koichi、Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Yamanaka Shusuke、Kawakami Takashi、Okumura Mitsutaka、Yamaguchi Kizashi
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 746 ページ: 137252-137252

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2020.137252

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theory of chemical bonds in metalloenzymes XXIII fundamental principles for the photo-induced water oxidation in oxygen evolving complex of photosystem II2020

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

      Molecular Physics

      巻: 印刷中 号: 21-22 ページ: 1725168-1725168

    • DOI

      10.1080/00268976.2020.1725168

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical and computational investigations of geometrical, electronic and spin structures of the CaMn4OX (X=5, 6) cluster in the Kok cycle Si (i=0-3) of oxygen evolving complex of photosystem II2019

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Kizashi、Yamanaka Shusuke、Isobe Hiroshi、Shoji Mitsuo、Miyagawa Kouichi、Nakajima Takahito、Kawakami Takashi、Okumura Mitsutaka
    • 雑誌名

      Physiologia Plantarum

      巻: 166 号: 1 ページ: 44-59

    • DOI

      10.1111/ppl.12960

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [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 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 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] An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser2019

    • 著者名/発表者名
      Suga M、Akita F、Yamashita K、Nakajima Y、Ueno G、Li H、Yamane T、Hirata K、Umena Y、Yonekura S、Yu L-J、Murakami H、Nomura T、Kimura T、Kubo M、Baba S、Kumasaka T、Tono K、Yabashi M、Isobe H、Yamaguchi K、Yamamoto M、Ago H、Shen J-R
    • 雑誌名

      Science

      巻: 366 号: 6463 ページ: 334-338

    • DOI

      10.1126/science.aax6998

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [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] Concerted bond switching mechanism coupled with one-electron transfer for the oxygen-oxygen bond formation in the oxygen-evolving complex of photosystem II2019

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

      Chemical Physics Letters

      巻: 714 ページ: 219-226

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2018.10.041

    • 関連する報告書
      2018 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] Spin, Valence, and Structural Isomerism in the S3 State of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II as a Manifestation of Multimetallic Cooperativity2019

    • 著者名/発表者名
      Isobe Hiroshi、Shoji Mitsuo、Suzuki Takayoshi、Shen Jian-Ren、Yamaguchi Kizashi
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 15 号: 4 ページ: 2375-2391

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.8b01055

    • 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 XXI. Possible mechanisms of water oxidation in oxygen evolving complex of photosystem II2018

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

      Molecular Physics

      巻: 116 号: 5-6 ページ: 717-745

    • DOI

      10.1080/00268976.2018.1428375

    • 関連する報告書
      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] Relative stability between the manganese hydroxide- and oxo-models for water oxidation by CCSD, DMRG CASCI, CASSCF, CASPT2 and CASDFT methods; Importance of static and dynamical electron correlation effects for OEC of PSII2018

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

      Chemical Physics Letters

      巻: 705 ページ: 85-91

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2018.05.046

    • 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] 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
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 光化学系IIマンガンクラスターの電子スピン状態解析2019

    • 著者名/発表者名
      磯部寛、鈴木孝義、沈建仁、庄司光男、山口兆
    • 学会等名
      新学術領域「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―物質変換系の創製」第2回合同班会議
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical Analysis of the Electronic and Spin Structures of the Oxygen-Evolving Complex2019

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Isobe, Misuto Shoji, Takayoshi Suzuki, Jian-Ren Shen, Kizashi Yamaguchi
    • 学会等名
      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] 光合成Mnクラスターの構造変化とスピン転移の相関および基質活性化に関する理論的研究2019

    • 著者名/発表者名
      磯部寛
    • 学会等名
      新学術領域「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―物質変換系の創製」第2回公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Density Functional Study on Chemical Equilibria in the S3 State of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Isobe, Misuto Shoji, Takayoshi Suzuki, Jian-Ren Shen, Kizashi Yamaguchi
    • 学会等名
      5th International Workshop on Solar Energy for Sustainability
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子化学計算による光合成水分解反応機構解析2018

    • 著者名/発表者名
      磯部寛
    • 学会等名
      新学術領域「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―物質変換系の創製」第1回合同班会議
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

URL: 

公開日: 2018-04-23   更新日: 2021-01-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi