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水分解触媒部位の周辺環境から理解する光合成蛋白質における酸素発生反応

公募研究

研究領域人工光合成による太陽光エネルギーの物質変換:実用化に向けての異分野融合
研究課題/領域番号 25107517
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
審査区分 理工系
研究機関東京大学 (2014)
大阪大学 (2013)

研究代表者

石北 央  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (00508111)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2014年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2013年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワード人工光合成 / プロトン移動 / Mn4CaO5 / 水分解酸素発生 / 光化学系II / Photosystem II
研究実績の概要

「地上に降り注ぐ太陽光から有益なエネルギー源となる物質を生産する」という人工光合成の実現は、光化学系II (Photosystem II, PSII)の立体構造(Umena, Kawakami, Shen, Kamiya. Nature (2011))解明により、ますます現実味を帯びてきた。分子構造がわかれば原子間相互作用を解析することでその分子が行う化学反応の様子も見ることができるからである。一方で得られた結晶構造を眺めるだけの研究手法では理解に限界がある。本研究では、PSII結晶構造を分子化学の立場で、理論化学的手法を用いて解析することで、PSII水分解・酸素発生反応機構の解明を目指した。
PSII結晶構造内での水素結合パターンの決定をQM/MM法(2013年ノーベル化学賞受賞対象となった手法の一つ)で解析した。X線結晶構造解析では水素原子は見えておらず、水素原子が見えない。そこで、まず妥当な水素原子の位置および水素結合パターンを決定した。その後、プロトン移動経路の候補となる部位の水素結合において、水素結合エネルギーのポテンシャルを計算した。その結果、触媒部位Mn4CaO5近傍から蛋白質表面につながるプロトン移動経路を見つけることができた(論文投稿中)。

現在までの達成度 (段落)

26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

26年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (17件) (うち招待講演 17件)

  • [雑誌論文] Proton transfer reactions and hydrogen-bond networks in protein environments.2014

    • 著者名/発表者名
      Ishikita H, Saito K
    • 雑誌名

      Journal of the Royal Society, Interface

      巻: 11 号: 91 ページ: 20130518-20130518

    • DOI

      10.1098/rsif.2013.0518

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書 2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of the Ca(2+) ion on the Mn4Ca conformation and the H-bond network arrangement in Photosystem II2014

    • 著者名/発表者名
      Saito K, Ishikita H
    • 雑誌名

      Biochimica et biophysica acta

      巻: 1837 号: 1 ページ: 159-166

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2013.09.013

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書 2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 光合成酸素発生反応で利用される蛋白質内プロトン移動経路の発見2014

    • 著者名/発表者名
      石北 央、斉藤圭亮
    • 雑誌名

      化学と生物

      巻: 52 ページ: 214-215

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書 2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 光合成蛋白質Photosystem IIにおける水分解反応を蛋白質環境から理解する2014

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 雑誌名

      生産と技術

      巻: 66 ページ: 103-106

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書 2013 実績報告書
  • [雑誌論文] 恩師のノーベル化学賞受賞に寄せて2013

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 雑誌名

      光合成研究

      巻: 23 ページ: 125-128

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 蛋白質における光駆動プロトン移動と水素結合2013

    • 著者名/発表者名
      石北 央、斉藤圭亮
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 53 ページ: 198-201

    • NAID

      10031178740

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Research Frontiers: How Do Green Plants Produce O2 from Water?2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 雑誌名

      Kyoto University Research Activities

      巻: 2 ページ: 23-23

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Proton transfer reactions in Photosystem II2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 学会等名
      2014 International Conference on Artificial Photosynthesis
    • 発表場所
      兵庫県立淡路夢舞台国際会議場(兵庫県、淡路市)
    • 年月日
      2014-11-24 – 2014-11-28
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Proton transfer reactions and hydrogen bond networks in protein environments2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 学会等名
      XIXth International Workshop on Quantum Systems, in Chemistry, Physics and Biology
    • 発表場所
      Fullon Hotel Tamsui Fishermen’s Wharf, Taipei(台湾)
    • 年月日
      2014-11-11 – 2014-11-17
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛋白質環境におけるプロトン移動と水素結合ネットワーク2014

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      CBI学会 2014年大会
    • 発表場所
      タワーホール船堀(千葉県、船橋市)
    • 年月日
      2014-10-28 – 2014-10-30
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Proton transfer reactions and hydrogen-bond networks in protein environments2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 学会等名
      1st UK-Japan bilateral workshop on solar fuel
    • 発表場所
      駐日英国大使館(東京都、千代田区)
    • 年月日
      2014-09-18 – 2014-09-19
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Proton transfer reactions and hydrogen-bond networks in protein environments2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 学会等名
      Computational Science Workshop 2014
    • 発表場所
      Tsukuba International Congress Center(茨城県、つくば市)
    • 年月日
      2014-08-20 – 2014-08-22
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛋白質の静電場環境による活性のコントロール2014

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      第14 回日本蛋白質科学会年会ワークショップ
    • 発表場所
      ワークピア横浜(神奈川県、横浜市)
    • 年月日
      2014-06-25 – 2014-06-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 結晶構造では見えにくい「H+」から蛋白質の反応を見る2014

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      第4期第5回フロンティアサロン
    • 発表場所
      ホテルニューオータニ東京(東京都、千代田区)
    • 年月日
      2014-05-19
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Proton transfer reactions mediated by hydrogen bonds in protein environment2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 学会等名
      American Physical Society (APS) March meeting
    • 発表場所
      Denver, Colorado
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Proton transfer reactions mediated by hydrogen bonds in protein environment2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 学会等名
      International Conference on Bio/Mimetic Solar Energy Conversion 2013
    • 発表場所
      Media Center, Osaka City University
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] X線結晶構造解析では見えにくい「H+」から蛋白質の光反応を見る2013

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      第3回 モデル生物丸ごと一匹学会
    • 発表場所
      大阪大学 豊中キャンパス シグマホール
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Mechanisms of proton transfer reactions in Photosystem II2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Ishikita
    • 学会等名
      International meeting “Photosynthesis Research for Sustainability – 2013
    • 発表場所
      Baku, Azerbaijan
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 基礎的な分子化学で光合成を語れるようになる日2013

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      第4回日本光合成学会年会公開シンポジウム「5年後、30年後の光合成研究」
    • 発表場所
      名古屋大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛋白質における光反応の様子をH+から探る2013

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      大阪大学蛋白質研究所セミナー 「光の、光による、光のための蛋白質科学」
    • 発表場所
      大阪大学蛋白質研究所
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 水分解反応を進めるためのPhotosystem II蛋白質環境

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      日本表面科学会関西支部 関西支部セミナー「人工光合成の最前線」
    • 発表場所
      産業技術総合研究所 関西センター
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛋白質の静電場環境による活性のコントロール

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      大阪大学蛋白質研究所セミナー 「蛋白質の機能デザインに向けた実験と理論のインタープレー」
    • 発表場所
      大阪大学蛋白質研究所
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] X線結晶構造解析では見えにくい「H+」から蛋白質の反応を見る

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      第6回協定講座シンポジウム「計算生物学と材料科学の融合II」
    • 発表場所
      神戸大学統合研究拠点 コンベンションホール
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛋白質活性部位に存在する短い水素結合とプロトン移動

    • 著者名/発表者名
      石北 央
    • 学会等名
      島根大学医生物ラマン研究会第5回講演会
    • 発表場所
      島根大学
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演

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公開日: 2013-05-15   更新日: 2019-07-29  

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