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

2017 年度 実績報告書

高分解能・時間分解構造解析による水分解反応の機構解明

計画研究

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 17H06434
研究機関岡山大学

研究代表者

沈 建仁  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (60261161)

研究分担者 神谷 信夫  大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (60152865)
山口 兆  大阪大学, 学内共同利用施設等, その他 (80029537)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード光合成 / 水分解反応 / X線結晶構造解析 / 生物物理 / タンパク質 / X線自由電子レーザー / 理論計算 / 時間分解構造解析
研究実績の概要

フェムト秒のX線自由電子レーザー(XFEL)を用いた固定ターゲットシリアル構造解析法により、常温で1、2閃光照射し、低温トラップする方法によりPSIIのS2, S3中間体の回折データを収集し、従来のSFX法よりも高い分解能で構造解析することに成功した。その結果、S1状態との差フーリエ電子密度マップからS1→S2, S2→S3遷移に伴うMn4CaO5クラスター周辺の構造変化を明らかにし、SFX法で見つかった、S3状態で新たに挿入された水分子O6とO5との距離をより正確に決定した。また、S2状態でO4近傍の水分子がディスオーダーし、S1→S2遷移においてO4近傍の水素結合ネットワークを通したプロトン移動が起きたことが示唆された。
上記で得られたXFEL実験やSFX実験の結果、各種スペクトル測定の結果を総合してHDFT法を用いた理論計算を行い、2017年に報告したS3状態のSFX構造、即ちO5-O6間距離(1.5 A)を再現するのはMn-peroxide構造となるが、この構造では4つのMnの価数(VS)が(3443)となりX線吸収スペクトル(XES)測定の結果と矛盾することが判明した。一方、Mn-hydroxideの場合はVSが(4444)となりXESの結果と一致するが、O5-O6間距離は2.5 AとなりSFX実験結果と矛盾することが分かった。さらに、Mn-oxoの場合はO5-O6間距離は2.0 AとなりVSは(4444)あるいは(4443)であった。これらの結果からS3状態の微細構造の解明にはより高分解能のSFX実験結果やHDFT法を超える高精度計算が必要であることが結論された。このため、結晶の質を改善し、光未照射のS1状態にある結晶に対して0.1 MGyという低いX線照射量でも1.62 A分解能を与える回折データを収集することに成功し、構造解析を行い、結合距離の平均誤差が0.1 Aの構造が得られ、信頼度の高いMn4CaO5クラスターの構造が得られた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

XFELを用いた固定ターゲット結晶構造解析を行ない、低温トラップ法によりトラップしたS2, S3中間体の構造を常温のSFX法よりも高い分解能で解析することに成功し、S1→S2, S2→S3遷移に伴う構造変化を明らかにした。また、結晶の質を改善し、より高分解能を与える結晶の析出に成功した。
理論計算においては、Mn系のDMRG計算用の専用計算機を構築し、その性能を確認でき、S3状態のSFX実験結果について理論的解析を行い、これまでの実験結果と一部一致しないものがあり、より高精度の実験や理論計算が必要であることがわかった。

今後の研究の推進方策

常温におけるS遷移状態の構造変化をより高分解能で解析するため、PSII微結晶の改善、SFX法における微結晶試料の吐出法の検討、データ処理法の最適化が必要である。種々の改善を行い、より高分解能の回折データが収集できる条件が確立すれば、2閃光照射後の時間ラッグを変更してSFX法で回折データを収集し、構造解析を行ない、O6の挿入経路やプロトンの排出経路を特定する。また、3閃光照射によりS3→(S4)→S0の構造変化を明らかにする。
DFT法を超える理論計算法としてのDMRG法を用いて各S状態におけるMn4CaO5クラスターの構造を精密に計算し、実験結果と照合して詳細な構造と反応機構を解明する。
pHに依存したMn4CaO5クラスターの構造変化や、ヨウ素・ヒドロキシルアミン処理により還元されたMn4CaO5クラスターの構造、及び各種PSII変異体の構造解析を行ない、PSIIの機能発現に必要な、重要な構造ヨウ素を明らかにする。

  • 研究成果

    (38件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 6件、 査読あり 9件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 9件、 招待講演 17件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] 中国科学院植物研究所/中国科学院化学研究所(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学院植物研究所/中国科学院化学研究所
  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS
  • [国際共同研究] オーストラリア国立大学(オーストラリア)

    • 国名
      オーストラリア
    • 外国機関名
      オーストラリア国立大学
  • [雑誌論文] Understanding Two Different Structures in the Dark Stable State of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II: Applicability of the Jahn-Teller Deformation Formula2018

    • 著者名/発表者名
      Shoji Mitsuo、Isobe Hiroshi、Tanaka Ayako、Fukushima Yoshimasa、Kawakami Keisuke、Umena Yasufumi、Kamiya Nobuo、Nakajima Takahito、Yamaguchi Kizashi
    • 雑誌名

      ChemPhotoChem

      巻: 2 ページ: 257~270

    • DOI

      10.1002/cptc.201700162

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structured Near-Infrared Magnetic Circular Dichroism spectra of the Mn4CaO5 cluster of PS II in T. Vulcanus are dominated by Mn(IV) d-d ‘spin-flip’ transitions2018

    • 著者名/発表者名
      Morton J., Chrysina M., Craig V. S.J., Akita F., Nakajima Y., Lubitz W., Cox N., Shen J.-R., and Krausz E.
    • 雑誌名

      Biochim. Biophys. Acta

      巻: 1859 ページ: 88-98

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2017.10.004

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] An aluminum/cobalt/iron/nickel alloy as a precatalyst for water oxidation2018

    • 著者名/発表者名
      Najafpour M. M., Mehrabani S., Bagheri R., Song Z., Shen J.-R., Allakhverdiev S. I.
    • 雑誌名

      Inter. J. Hydrogen Energy

      巻: 43 ページ: 2083-2090

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2017.12.025

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The deep red state of photosystem II in Cyanidioschyzon merolae2018

    • 著者名/発表者名
      Langley J., Morton J., Purchase R., Tian L., Shen L., Han G., Shen J.-R., Krausz E.
    • 雑誌名

      Photosynthetica

      巻: 56 ページ: 275-278

    • DOI

      10.1007/s11099-017-0760-x

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Rate-limiting steps in the dark-to-light transition of Photosystem II - revealed by chlorophyll-a fluorescence induction2018

    • 著者名/発表者名
      Magyar M., Sipka G., Kovacs L., Ughy B., Zhu Q., Han G., Spunda V., Lambrev P. H., Shen J.-R., Garab G.
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: 2755

    • DOI

      10.1038/s41598-018-21195-2

    • 査読あり / 国際共著
  • [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 ページ: 717-745

    • DOI

      10.1080/00268976.2018.1428375

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Functional role of Lys residues of Psb31 in electrostatic interactions with diatom photosystem II2017

    • 著者名/発表者名
      Nagao R., Suzuki T., Dohmae N., Shen J.-R., and Tomo T.
    • 雑誌名

      FEBS Lett.

      巻: 591 ページ: 3259-3264

    • DOI

      10.1002/1873-3468.12830

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probing structure-function relationships in early events in photosynthesis using a chimeric photocomplex2017

    • 著者名/発表者名
      Nagashima K. V. P., Sasaki M., Hashimoto K., Takaichi S., Nagashima S., Yu L.-J., Abe Y., Gotou K., Kawakami T., Takenouchi, M. Shibuya Y., Yamaguchi A., Ohno T., Shen J.-R., Inoue K., Madigan M., Kimura Y., Wang-Otomo Z.-Y.
    • 雑誌名

      Proc. Natl. Acad. Sci. USA.

      巻: 114 ページ: 10906-10911

    • DOI

      10.1073/pnas.1703584114

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The crystal structure of Deg9 reveals a novel octameric-type HtrA protease2017

    • 著者名/発表者名
      Ouyang M., Li X., Zhao S., Pu H., Shen J.-R., Adam Z., Clausen T., Zhang L.
    • 雑誌名

      Nature Plants

      巻: 3 ページ: 973-982

    • DOI

      10.1038/s41477-017-0060-2

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 新学術領域研究内容の説明と研究グループの研究紹介2018

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      科研費・新学術領域「革新的光物質変換」第1回公開シンポジウム
  • [学会発表] SQDG欠損変異株由来PSIIの結晶構造と機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      中島芳樹, 梅名泰史, 遠藤嘉一郎, 長尾遼, 小林康一, 野口巧, 和田元, 沈建仁
    • 学会等名
      科研費・新学術領域「革新的光物質変換」第1回公開シンポジウム
  • [学会発表] Structure of photosynthetic LH1-RC complex at 1.9 A resolution2018

    • 著者名/発表者名
      L.-J. Yu, M. Suga1, Z.-Y. Wang-Otomo, J.-R. Shen
    • 学会等名
      科研費・新学術領域「革新的光物質変換」第1回公開シンポジウム
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water-splitting catalyzed by the Mn4CaO5 metal cluster in photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Metals in Biology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of water oxidation in natural photosynthesis catalyzed by the Mn4CaO5-cluster of photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Renewable Energy: Solar Fuels
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water oxidation based on the structural analyses of photosystem II2018

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      5th International Workshop on Solar Energy for Sustainability, Bioenergetics: Oxygen Production and Reduction
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Crystal structure of PSII in the intermediate states and possible mechanism of O=O bond formation2018

    • 著者名/発表者名
      M. Suga, F. Akita, J.-R. Shen
    • 学会等名
      5th International Workshop on Solar Energy for Sustainability, Bioenergetics: Oxygen Production and Reduction
  • [学会発表] シリアルフェムト秒結晶解析により明らかにした光化学系IIの反応中間体の立体構造と酸素発生機構2018

    • 著者名/発表者名
      菅倫寛,秋田総理,菅原道泰,久保稔,中島芳樹,岩田想,沈建仁
    • 学会等名
      第59回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 好熱性シアノバクテリアThermosynechococcus elongatusにおけるマイナーフェレドキシンの構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      本村大樹,Lidia Zuccarello,Alain Boussac,沈建仁
    • 学会等名
      第59回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 集光性フコキサンチンタンパク質と光化学系Iコアとの相互作用2018

    • 著者名/発表者名
      長尾遼,植野嘉文,秋本誠志,秋田総理,沈建仁
    • 学会等名
      第59回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 光合成水分解反応の仕組み-植物に学ぶ 光エネルギーの高効率利用(みどりの学術賞受賞講演)2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      平成29年度みどりの学術賞受賞記念講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water-splitting from a structural point of view2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Photosynthesis
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water oxidation based on atomic structure of photosystem II2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      IBC2017, The XIX International Botanical Congress
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 植物に学ぶ太陽光エネルギーの高効率利用ー岡山県三木記念賞受賞について2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      岡山ロータリークラブ例会
    • 招待講演
  • [学会発表] 新学術領域研究内容の紹介2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      科研費・新学術領域「革新的光物質変換」キックオフミーティング
  • [学会発表] 光合成光化学系IIと光化学系I複合体の構造と機能に関する研究(植物学会学術賞受賞講演)2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      日本植物学会第81回大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 光合成における光水分解反応の機構解明(錯体化学会貢献賞受賞講演)2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      錯体化学討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] XFELによって明らかになった光化学系II水分解触媒の中間体構造と反応機構2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      第55回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Molecular mechanism of photosynthetic water-splitting based on the atomic structure of photosystem II2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      15th Chinese and International Biophysics Congress
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 光合成水分解の仕組み ー光と水からエネルギーと酸素へ2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      東京都中央区区民カレッジに「科学技術の最前線」
    • 招待講演
  • [学会発表] 光合成の仕組みに迫る2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      JSTサイエンスアゴラ2017 越境する光科学
    • 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of light-induced water-splitting in natural photosynthesis2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      2nd International RINS Symposium (Okayama Science University)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 光合成水分解反応の機構解明と革新的光物質変換2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      植物科学シンポジウム2017
    • 招待講演
  • [学会発表] Structures of PSII with herbicides bound2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      Japan-France Joint Workshop on the Structure and Function of Photosystem II
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water oxidation based on the structural analysis of photosystem II2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      The Second International Symposium on Biofunctional Chemistry (ISBC2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 新学術領域ホームページ

    • URL

      http://photoenergy-conv.net/

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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