機能解析による光合成タンパク質における電子移動制御の分子機構解明

2017 年度 実績報告書

• 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: 17H06435
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 野口 巧 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (60241246)
• 研究分担者: 杉浦 美羽 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 准教授 (80312255)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 電子移動 / プロトン移動 / 赤外分光 / 部位特異的変異

研究実績の概要

光化学系Ⅱにおける電子・プロトン移動反応および水分解反応について、以下の成果を得た。
１．光合成水分解機構：（１）光化学系Ⅱタンパク質の微結晶を用いて光誘起フーリエ変換赤外分光（FTIR）解析を行い、２閃光照射により、X線自由電子レーザーによる結晶構造解析に十分な量のS3状態が生成することを示した。（２）時間分解赤外分光法を用いて、水分解反応におけるS2-S3遷移の電子・プロトン移動反応の詳細を調べ、この遷移ではプロトン移動律速の電子移動反応が起こることを示した。（３）YZ近傍に存在するD1-Asn298のAla変異体を作成し、熱発光・遅延蛍光およびFTIR測定から、YZ近傍の水素結合ネットワークがS2-S3、S3-S0遷移におけるプロトン放出経路として機能する可能性を示唆した。（４）偏光全反射赤外法および量子化学計算により、Mnクラスターに水素結合するD1-His337は、常にプロトン化したカチオン型として存在しており、このHisの正電荷が、Mnクラスターを高い電位に保ち、水分解能の発現に重要な役割を果たしていることが示された。
２．二量体クロロフィルP680の高い酸化還元電位の発現機構：アミノ酸改変によりP680に非対称的に水素結合を導入し、FTIR解析を用いてP680+上の電荷分布を調べた結果、正電荷はD1側に偏って存在しており、これが、P680の高い酸化還元電位とYZからの速い電子移動速度の原因であることが示された。
３．Cytb559の電位制御機構：Cytb559の近傍アミノ酸に部位特異的変異を導入し、その影響を調べた。その結果、軸配位子の改変により、ヘムが失われて非ヘム鉄となり、PSII中の他の電子伝達コファクターも影響を受けることが示された。

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

A01班が作成した光化学微結晶を用いた光誘起FTIR解析により、閃光照射後のS3中間状態の量を見積もり、S3の結晶構造解析に貢献することができた。また、水分解反応におけるプロトン共役電子移動機構やプロトン放出経路、P680上の電荷分布の見積もりなど、当初予定していた研究についてはおおむね成果を上げ、論文として発表することができた。

今後の研究の推進方策

水分解機構については、YD欠損株より調製した光化学系Ⅱタンパク質を用いて、各中間状態遷移における電子・プロトン移動過程を、時間分解赤外分光法を用いてさらに詳細に調べる。pH依存性とD2O効果を調べることにより、プロトン移動と電子移動の時間相関を明らかすることができると考えている。光化学系Ⅱ微結晶の赤外分光解析もさらに進め、顕微赤外分光を用いて、単一の微結晶の閃光誘起FTIR差スペクトルを観測する予定である。反応中心クロロフィルについては、P680やChlD1の軸配位子を改変し、カチオン生成および励起三重項生成反応の機構を調べる。さらに、キノン電子受容体やシトクロムb559など、他の電子伝達成分についても、赤外分光や変異導入によって、それらの酸化還元電位の制御機構を明らかにしてこうと考えている。

研究成果

• [雑誌論文] Evaluation of photosynthetic activities in thylakoid membranes by means of Fourier transform infrared spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Nagao, S. Kitazaki, and T. Noguchi
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics 巻: 1859 ページ: 129-136
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2017.11.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] PsbP-induced protein conformational changes around Cl? ions in the water oxidizing center of photosystem II (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Kondo, and T. Noguchi
  • 雑誌名: Photosynthetica 巻: 56 ページ: 178-184
  • DOI: 10.1007/s11099-017-0749-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bio-inorganic hybrid photoanodes of Photosystem II and ferricyanide-intercalated layered double hydroxide for visible-light-driven water oxidation (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato, M., Sato, H., Yagi, I., and Sugiura, M.
  • 雑誌名: Electrochim. Acta 巻: 264 ページ: 386-392
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2018.01.133
  • 査読あり
• [雑誌論文] The low spin - high spin equilibrium in the S2-state of the water oxidizing enzyme (2018)
  • 著者名/発表者名: Boussac, A. Ugur, I., Marion, A., Sugiura, M., Kaila, V. R., and Rutherford, A. W.
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics 巻: 1859 ページ: 342-356
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2018.02.010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fluorescence property of photosystem II protein complexes bound to a gold nanoparticle (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Tahara, A. Mohamed, K. Kawahara, R. Nagao, Y. Kato, H. Fukumura, Y. Shibata, and T. Noguchi
  • 雑誌名: Faraday Discuss. 巻: 198 ページ: 121-134
  • DOI: 10.1039/C6FD00188B
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, F. Akita, .... Y. Kato, T. Noguchi...., and J.-R. Shen (38 authors)
  • 雑誌名: Nature 巻: 543 ページ: 131-135
  • DOI: 10.1038/nature21400
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monitoring the reaction process during the S2→S3 transition in photosynthetic water oxidation using time-resolve infrared spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Sakamoto, T. Shimizu, R. Nagao, and T. Noguchi
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 ページ: 2022-2029
  • DOI: 10.1021/jacs.6b11989
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genetically introduced hydrogen bond interactions reveal an asymmetric charge distribution on the radical cation of the special-pair chlorophyll P680 (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Nagao, M. Yamaguchi, S. Nakamura, H. Ueoka-Nakanishi, and T. Noguchi
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 292 ページ: 7474-7486
  • DOI: 10.1074/jbc.M117.781062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Infrared determination of the protonation state of a key histidine residue in the photosynthetic water oxidizing center (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Nakamura, and T. Noguchi
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 ページ: 9364-9375
  • DOI: 10.1021/jacs.7b04924
  • 査読あり
• [雑誌論文] D1-Asn-298 in photosystem II is involved in a hydrogen-bond network near the redox-active tyrosine YZ for proton exit during water oxidation (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Nagao, H. Ueoka-Nakanishi, and T. Noguchi
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 292 ページ: 20046-20057
  • DOI: 10.1074/jbc.M117.815183
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure and redox properties of a novel cyanobacterial heme-protein with a His/Cys heme axial ligation and a per-arnt-sim (PAS)-like domain (2017)
  • 著者名/発表者名: Motomura, T., Suga, M., Hienerwadel, R., Nakagawa, A., Lai, T.-L., Nitschke, W., Sugiura, M, Boussac, A. and Shen, J.-R.
  • 雑誌名: Ｊ. Biol. Chem. 巻: 292 ページ: 9599-9612
  • DOI: 10.1074/jbc.M116.746263
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A photoregulated ATP generation system for in vitro motility assay (2017)
  • 著者名/発表者名: Kabir, A. M. R., Ito, M., Uenishi. K., Anan, S., Konagaya, A., Sada. K., Sugiura, M., and Kakugo, A.
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 46 ページ: 178-180
  • DOI: 10.1246/cl.160903
  • 査読あり
• [学会発表] 光合成水分解マンガンクラスターの酸化還元電位の制御機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野口 巧、中村 伸
  • 学会等名: 新学術領域研究「革新的光物質変換」第1回公開シンポジウム
• [学会発表] 光化学系IIにおけるP680アクセサリークロロフィル軸配位子の構造変化がもたらす機能への影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 杉浦 美羽
  • 学会等名: 新学術領域研究「革新的光物質変換」第1回公開シンポジウム
• [学会発表] 光化学系IIにおけるMnクラスターの光活性化過程：FTIRおよび量子化学計算による解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村 伸、佐藤 彰彦、野口 巧
  • 学会等名: 日本生物物理学会中部支部講演会
• [学会発表] 天然光合成における電子移動制御の分子機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野口 巧
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] FTIR分光法による光化学系IIにおける第一キノン電子受容体QAの酸化還元特性の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤 祐樹、大平 彩花、長尾 遼、野口 巧
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 光化学系Iの極低温単一分子分光 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林 誉宗、Jana Sankar、杜 亭、長尾 遼、野口 巧、柴田 穣
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
• [学会発表] 光化学系IIにおいてMn除去してもQAの酸化還元電位は変動しない (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平 彩花、長尾 遼、野口 巧、加藤 祐樹
  • 学会等名: 第25回光合成セミナー2017
• [学会発表] Development of novel scanning microscope for excitation spectra measurement (2017)
  • 著者名/発表者名: Sankar Jana, Takanori Kobayashi, Ryo Nagao, Takumi Noguchi, Yutaka Shibata
  • 学会等名: 光化学討論会
• [学会発表] 光化学系Iタンパク質複合体の単一分子蛍光分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 柴田 穣、小林 誉宗、杜 亭、ジャナ サンカー、長尾 遼、野口 巧
  • 学会等名: 分子化学討論会
• [学会発表] ATR-FTIR analysis of the S-state transitions during water oxidation in photosystem II crystals (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kato, Fusamichi Akita, Yoshiki Nakajima, Michihiro Suga, Yasufumi Umena, Jian-Ren Shen, Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
• [学会発表] Influence of Mn depletion on the redox potential of the primary quinone QA in photosystem II as revealed by FTIR spectroelectrochemistry (2017)
  • 著者名/発表者名: Ayaka Ohira, Ryo Nagao, Takumi Noguchi, Yuki Kato
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
• [学会発表] FTIR and quantum chemical calculation study of the photoactivation process of the Mn cluster in photosystem II (2017)
  • 著者名/発表者名: Shin Nakamura, Akihiko Sato, Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
• [学会発表] ATR-FTIR study on the protonation state of a histidine ligand to the non-heme iron in photosystem II (2017)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Kimura, Shin Nakamura, Yuki Kato, Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
• [学会発表] Single-molecule spectroscopy of photosystem I at low temperature: The origin of the blinking (2017)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Shibata, Takanori Kobayashi, Ting Du, Sankar Jana, Ryo Nagao, Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
• [学会発表] FTIR study on the redox property of the primary quinone QA in photosystem II (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kato, Ayaka Ohira, Ryo Nagao, and Takumi Noguchi
  • 学会等名: 8th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability ? 2017”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single-molecule spectroscopy study on photosystem I at low temperatures (2017)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Shibata, Sankar Jana, Takanori Kobayashi, Ting Du, Ryo Nagao, and Takumi Noguchi
  • 学会等名: 8th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability ? 2017”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Redox property changes of cytochrome b559 of site-directed mutants in Photosystem II complex (2017)
  • 著者名/発表者名: Makoto Nakamura, Alain Boussac, Miwa Sugiura
  • 学会等名: 8th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability ? 2017”
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanism of proton?coupled electron transfer in the S2→S3 transition of photosynthetic water oxidation revealed by time-resolved infrared analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Takemoto, and Takumi Noguchi
  • 学会等名: IGER International Symposium on Science of Molecular Assembly and Biomolecular Systems 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Protonation structure of a key His residue interacting with the Mn cluster in photosystem II as revealed by polarized ATR-FTIR spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Shin Nakamura and Takumi Noguchi
  • 学会等名: IGER International Symposium on Science of Molecular Assembly and Biomolecular Systems 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Infrared analysis of electron transfer and water oxidation reactions in Photosystem II (2017)
  • 著者名/発表者名: Takumi Noguchi
  • 学会等名: Japan-France Joint Workshop on the Structure and Function of Photosystem
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 名古屋大学理学研究科光生体エネルギー研究室ホームページ
  • URL: https://www.bio.phys.nagoya-u.ac.jp/