構造を基盤としたプロトン排出の戦略的分子設計

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 新光合成：光エネルギー変換システムの再最適化
• 研究課題/領域番号: 16H06560
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 栗栖 源嗣 大阪大学, 蛋白質研究所, 教授 (90294131)
• 研究分担者: 斉藤 圭亮 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (20514516)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: 光合成 / エネルギー変換 / 生物物理 / 構造生物学

研究実績の概要

光合成分子装置の機能を発現・制御している構造要因は，立体構造から一定程度推測することが可能である。例えば，理論分子化学的に解析された水分解反応に伴って発生するプロトンの排出経路（光化学系ＩＩ），還元型キノールの酸化に伴って発生するプロトン排出経路とキノン交換ポータルの構造的制約（シトクロムb6f複合体），強い還元力を漏らさずフェレドキシンに伝える電子伝達部位（光化学系Ｉ）など，構造生物学的に重要と思われる着眼点は多い。各班から報告される改変体の機能解析結果を，順に構造解析にフィードバックした。構造解析に実際の機能解析結果を加味することで，各光合成分子装置のin silico構造解析の精度を上げ効率的な解析に道筋をつけた。本年度は，最終年度にあたり次の4つの課題について仕上げの構造解析を行った。
(1)光化学系IIと光化学系Iの蛋白質内クロロフィルに関して量子化学計算を行うことで，電荷分離反応の詳細な分子機構を明らかにした。
(2)光化学系IIの水分解触媒活性は、触媒部位Mn4CaO5錯体内のCaやその近傍のClイオンの有無などで変化する。触媒活性変化の機序を錯体の理論化学解析によって明らかにした。
(3)シトクロムb6f複合体では、強光下条件を検出するために、膜の片側（ルーメン側）のpH変化をモニターする機構が兼ね備えられている。そのしくみを明らかにするためのpetC変異実験が他班で行われている。その分子基盤を明らかにするため，Ｘ線結晶解析とNMR分光解析，さらにクライオ電子顕微鏡による構造解析をすすめて，アミノ酸残基の変異がなぜpH変化のモニターに効いているのかを明らかにした。
(4)久堀班で確認されたシロイヌナズナのFTRとTrxの分子種依存的な相互作用の構造基盤を明らかにすると共に，宗影班の松田グループと共同で，新規ピレノイド蛋白質の構造決定を行った。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Ruhr University Bochum/Max Plank Institute of Biochemistry(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Ruhr University Bochum/Max Plank Institute of Biochemistry
• [国際共同研究] University of Muenster(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Muenster
• [国際共同研究] Purdue University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Purdue University
• [雑誌論文] Cryo-EM structure of a functional monomeric Photosystem I from Thermosynechococcus elongatus reveals red chlorophyll cluster (2021)
  • 著者名/発表者名: Coruh Orkun、Frank Anna、Tanaka Hideaki、Kawamoto Akihiro、El-Mohsnawy Eithar、Kato Takayuki、Namba Keiichi、Gerle Christoph、Nowaczyk Marc M.、Kurisu Genji
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 304
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01808-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystallographic analysis and phasing of iron-assimilating protein 1 (FEA1) from Chlamydomonas reinhardtii (2021)
  • 著者名/発表者名: Juniar Linda、Adlfar Vida、Hippler Michael、Tanaka Hideaki、Kurisu Genji
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications 巻: 77 ページ: 134～139
  • DOI: 10.1107/S2053230X21003952
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure of higher plant heme oxygenase-1 and its mechanism of interaction with ferredoxin (2021)
  • 著者名/発表者名: Tohda Rei、Tanaka Hideaki、Mutoh Risa、Zhang Xuhong、Lee Young-Ho、Konuma Tsuyoshi、Ikegami Takahisa、Migita Catharina T.、Kurisu Genji
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 296 ページ: 100217～100217
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.016271
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nature of Asymmetric Electron Transfer in the Symmetric Pathways of Photosystem I (2021)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Koji、Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 125 ページ: 2879～2885
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c10885
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of absorption wavelength shifts in anion channelrhodopsin-1 mutants (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Noji Tomoyasu、Saito Keisuke、Kojima Keiichi、Sudo Yuki、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 ページ: 148349～148349
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148349
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton transfer pathway from the oxygen-evolving complex in photosystem II substantiated by extensive mutagenesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Hiroshi、Kawashima Keisuke、Ueda Kazuyo、Ikeda Takuya、Saito Keisuke、Ninomiya Ryo、Hida Chisato、Takahashi Yuichiro、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 ページ: 148329～148329
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148329
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two Distinct Oxygen-Radical Conformations in the X-ray Free Electron Laser Structures of Photosystem II (2021)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 12 ページ: 4032～4037
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c00814
  • 査読あり
• [雑誌論文] Origin of unidirectional charge separation in photosynthetic reaction centers: nonadiabatic quantum dynamics of exciton and charge in the pigment-protein complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Tamura, Keisuke Saito, Hiroshi Ishikita
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: in press ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of redox-inactive metals in controlling the redox potential of heterometallic manganese-oxido clusters (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Saito, Minesato Nakagawa, Manoj Mandal, Hiroshi Ishikita
  • 雑誌名: Photosynth. Res. 巻: in press ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for thioredoxin isoform‐based fine‐tuning of ferredoxin‐thioredoxin reductase activity (2020)
  • 著者名/発表者名: Juniar Linda、Tanaka Hideaki、Yoshida Keisuke、Hisabori Toru、Kurisu Genji
  • 雑誌名: Protein Science 巻: 29 ページ: 2538～2545
  • DOI: 10.1002/pro.3964
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cryogenic Single-Molecule Spectroscopy of the Primary Electron Acceptor in the Photosynthetic Reaction Center (2020)
  • 著者名/発表者名: Kondo Toru、Mutoh Risa、Tabe Hiroaki、Kurisu Genji、Oh-Oka Hirozo、Fujiyoshi Satoru、Matsushita Michio
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 ページ: 3980～3986
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00891
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acquirement of water-splitting ability and alteration of the charge-separation mechanism in photosynthetic reaction centers (2020)
  • 著者名/発表者名: Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 ページ: 16373～16382
  • DOI: 10.1073/pnas.2000895117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rigidly hydrogen-bonded water molecules facilitate proton transfer in photosystem II (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakashita Naoki、Ishikita Hiroshi、Saito Keisuke
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 ページ: 15831～15841
  • DOI: 10.1039/d0cp00295j
  • 査読あり
• [雑誌論文] pKa of the ligand water molecules in the oxygen-evolving Mn4CaO5 cluster in photosystem II (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Nakagawa Minesato、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 3 ページ: 89
  • DOI: 10.1038/s42004-020-00336-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Energetics of Ionized Water Molecules in the H-Bond Network near the Ca2+ and Cl? Binding Sites in Photosystem II (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Mandal Manoj、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 ページ: 3216～3224
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00177
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dependence of the chlorophyll wavelength on the orientation of a charged group: Why does the accessory chlorophyll have a low site energy in photosystem II? (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Mitsuhashi Koji、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 巻: 402 ページ: 112799～112799
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.112799
  • 査読あり
• [雑誌論文] Redox potentials along the redox-active low-barrier H-bonds in electron transfer pathways (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Mandal Manoj、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 ページ: 25467～25473
  • DOI: 10.1039/D0CP04265J
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Nature of the Short Oxygen?Oxygen Distance in the Mn4CaO6 Complex of Photosystem II Crystals (2020)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 ページ: 10262～10268
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02868
  • 査読あり
• [学会発表] プロトン駆動力形成を担う膜タンパク質の構造基盤 (2021)
  • 著者名/発表者名: 栗栖源嗣
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Structural Studies of Photosynthetic Membrane Protein Complex and Related Redox Proteins, and COVID-19 Related Protein Database (2020)
  • 著者名/発表者名: 栗栖源嗣
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会サテライトシンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structural Basis for the Ferredoxin-dependent Photosynthetic Electron Transfer (2020)
  • 著者名/発表者名: 栗栖源嗣
  • 学会等名: Federation of the Korean Societies for Biomolecular Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 蛋白質結晶学研究室ホームページ
  • URL: http://www.protein.osaka-u.ac.jp/crystallography/