• 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

2020 年度 実績報告書

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

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 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
キーワード生物物理 / 光合成 / 赤外分光 / 水分解 / 電子移動
研究実績の概要

1.光合成水分解機構の解明:光誘起フーリエ変換赤外(FTIR)差分光法で得られた中間状態遷移の際のスペクトルを、量子化学計算を用いてシミュ―レートすることにより、最も酸化状態の低いS0状態のMn4CaO5クラスターおよび水配位子のプロトン化構造を明らかにした。また、高速原子間力顕微鏡を用いて、光化学系Ⅱタンパク質のルーメン側の動的構造変化を観測し、表在性タンパク質の解離およびCP43タンパク質のルーメンドメインの構造ゆらぎを直接的に捉えることに成功した。このCP43タンパク質の構造ゆらぎが、Mn4CaO5クラスターの構築過程に重要な役割を果たしていることを示した。
2.キノン電子受容体の反応制御:光化学系Ⅱの鉄-キノン電子受容体において、非ヘム鉄と第二キノン受容体QBを架橋するHis残基のプロトン化構造を、光誘起FTIR差分光法を用いて調べた。その結果、このHisがpKa5.5で脱プロトン化することを明らかにし、QBのプロトン化反応におけるプロトン供与体として働くことを示した。
3.反応中心クロロフィルの構造と反応:4分子の反応中心クロロフィルの軸配位子を置換した好熱性シアノバクテリアの変異体を用いて、電荷分離直前に励起するクロロフィル分子を特定し、電荷分離速度を測定した。電荷分離後に正電荷は4つのクロロフィル上を移動し、経時的に広がることを見出した。これらの反応は軸配位子およびその周辺の構造によって制御されており、特にChlD1の配位子はChlD1のエネルギーレベルの保持に重要であること、ChlD1とChlD2の配位子の水素結合の有無が正電荷分布制御に重要であることが示唆された。
4.ハイブリット人工光合成系の構築:高効率な人工光合成系の構築を目指し、光化学系Iと光化学系Ⅱを金ナノ粒子に結合させたハイブリッド型人工光合成ナノデバイスを作成した。

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

A01班が作成した光化学系Ⅱ微結晶のFTIR解析を、全反射FTIR法によって微結晶の集合体として行うだけでなく、顕微FTIR分光を用いて単一の微結晶についても行うことに成功し、単一結晶内部の水分解反応の詳細を調べることができたことは大きな成果である。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の研究も順調に進んでいる。アミノ酸配位子の光変換や高速原子間力顕微鏡によるタンパク質ドメインの構造ゆらぎの観測など、予想外の結果も得られている。また、電子受容体側については、QAがMnクラスターの有無によって制御されるというこれまでの定説を覆す結果を得ることができ、さらにQBにおけるpHに依存する電子移動制御やプロトン移動機構を明らかにした。こうした光化学系Ⅱの電子伝達系に存在する電子移動制御機構を明らかにしたことは、非常に重要である。さらに初発電荷分離を起こす反応中心クロロフィルおよび副次的電子移動経路を形成するCytb559についても、これまでに多くの重要な結果が得られている。

今後の研究の推進方策

1.光合成水分解機構の解明:(1)Mn4CaO5クラスターの構築機構を調べるため、時間分解フーリエ変換赤外(FTIR)法を用いて、光照射によるMn2+の酸化とその後の反応過程を追跡する。また、Mnのアミノ酸配位子の変異体を用いて、最初のMn2+の結合位置および光酸化後の中間体におけるMnおよびCaの結合位置を明らかにする。(2)Mnのカルボキシル配位子変異体(D1-D170H)のアミノ酸変換の分子機構を明らかにするため、同位体置換Hisの取り込んだ試料によるアミノ酸変換反応の追跡、他の配位子の変異体による光変換の可能性、Mnのアミノ酸変換への関与などについて調べる。
2.PSIIの鉄-キノン電子受容体の反応機構:(1)FTIR分光電気化学測定により、非ヘム鉄の酸化還元電位のpH依存性の原因を明らかにする。(2)QBの近傍に存在するHis残基を改変し、QBのプロトン・電子移動反応への効果を調べることにより、pHに依存する鉄-キノン電子受容体の反応制御の機構を明らかにする。
3.反応中心クロロフィルの反応、光保護機構:(1)反応中心クロロフィルの近傍アミノ酸を改変した光化学系Ⅱ試料を用いて、クロロフィルの励起三重項状態のフーリエ変換赤外スペクトルを測定、比較することにより、励起三重項平衡にあるクロロフィルを同定し、光化学系Ⅱの光保護機構を明らかにする。(2)ChlD1とChlD2の両方の組換え体を作成し、電荷分離と正電荷移動の反応・制御機構を明らかにする。さらに、電荷分離後のフェオフィチン分子への電子移動速度とクロロフィル軸配位子の構造との関係を調べ、電荷分離機構を明らかにする。また、これまでに作製した組換え体を解析し、副次的電子伝達反応で酸化されるChlZのクロロフィル分子を同定し、副次的電子移動経路を明らかにする。

  • 研究成果

    (26件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (14件) (うち招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] 中国科学院(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学院
  • [国際共同研究] CEA Saclay(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CEA Saclay
  • [雑誌論文] 明らかにされつつある光合成によるエネルギー変換のしくみと応用への期待2021

    • 著者名/発表者名
      杉浦美羽
    • 雑誌名

      電気評論

      巻: 4月号 ページ: 18-25

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probing the role of Arginine 323 of the D1 protein in Photosystem II function2021

    • 著者名/発表者名
      M. Sugiura, T. Taniguchi, N. Tango, M. Nakamura, J. Sells, and A. Boussac
    • 雑誌名

      Physiol. Plant.

      巻: 171 ページ: 183-199

    • DOI

      10.1111/ppl.13115

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A gold nanoparticle conjugate with photosystem I and photosystem II for development of a biohybrid water-splitting photocatalyst2020

    • 著者名/発表者名
      K. Kawahara, N. Inoue-Kashino, K. Namie, Y. Kato, T. Tomo, Y. Shibata, Y. Kashino, and T. Noguchi
    • 雑誌名

      Biomed. Spectrosc. Imaging

      巻: 9 ページ: 73-81

    • DOI

      10.3233/BSI-200200

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular Structure of the S2 state with a g = 5 signal in the oxygen evolving complex of photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      S. Taguchi, T. Noguchi, and H. Mino
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. B

      巻: 124 ページ: 5531-5537

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.0c02913

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation of the high-spin S2 state related to the extrinsic proteins in the oxygen evolving complex of photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      S. Taguchi, L. Shen, G. Han, Y. Umena, J.-R. Shen, T. Noguchi, and H. Mino
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. Lett.

      巻: 11 ページ: 8908-8913

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.0c02411

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Structural dynamics of a protein domain relevant to the water-oxidizing complex in photosystem II as visualized by high-speed atomic force microscopy2020

    • 著者名/発表者名
      T. Tokano, Y. Kato, S. Sugiyama, T. Uchihashi, and T. Noguchi,
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. B

      巻: 124 ページ: 5847-5857

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.0c03892

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Protonation structure of the photosynthetic water oxidizing complex in the S0 state as revealed by normal mode analysis using quantum mechanics/molecular mechanics calculations2020

    • 著者名/発表者名
      M. Yamamoto, S. Nakamura, and T. Noguchi,
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      巻: 22 ページ: 24213-24225

    • DOI

      10.1039/D0CP04079G

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Protonation state of a key histidine ligand in the iron-quinone complex of photosystem II as revealed by light-induced ATR-FTIR spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      M. Kimura, Y. Kato, and T. Noguchi
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 59 ページ: 4336-4343

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.0c00810

    • 査読あり
  • [学会発表] 光化学系Ⅱにおけるルーメン側タンパク質ドメインの動的構造変化の高速AFM観察2021

    • 著者名/発表者名
      戸叶貴也、加藤祐樹、杉山翔吾、内橋貴之、野口巧
    • 学会等名
      新学術領域研究「革新的光物質変換」第3回公開シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Effects of herbicide and formate on the redox potential of the primary quinone QA in photosystem II2021

    • 著者名/発表者名
      加藤祐樹、野口巧
    • 学会等名
      日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Mechanism of novel amino acid conversion of a Mn-cluster ligand in photosystem II2021

    • 著者名/発表者名
      嶋田友一郎、鈴木健裕、北島(井原)智美、長尾遼、堂前直、野口巧
    • 学会等名
      日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Formation of high spin S2 intermediate state related to g~5 EPR signal in the oxygen evolving complex2021

    • 著者名/発表者名
      三野広幸、田口翔太、Liangliang Shen、Guangye Han、梅名泰史、沈建仁、野口巧
    • 学会等名
      日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Effects of mutations in the Loop4 region of PsbP on the oxygen-evolving activity of photosystem II2021

    • 著者名/発表者名
      今泉滉、西村大志、長尾遼、加藤祐樹、中野雄司、野口巧、伊福健太郎
    • 学会等名
      日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 光化学系IIにおける励起・電荷分離の分子機構2021

    • 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3回公開シンポジウム
  • [学会発表] FTIR spectroelectrochemical study on the mechanism of the pH dependence of the redox potential of the non-heme iron in photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kato, Hiroki Watanabe, Takumi Noguchi
    • 学会等名
      日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Time-resolved infrared detection of electron transfer between quinone electron acceptors QA and QB in photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      伊藤帆奈美、加藤佑樹、野口巧
    • 学会等名
      日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Role of D1-His252 in the reaction of the secondary quinone electron accepter QB in photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      小林智幸、嶋田友一郎、長尾遼、野口巧
    • 学会等名
      日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Novel amino acid conversion of a His mutant of D1-Asp170 in photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      嶋田友一郎、北島(井原)智美、長尾遼、野口巧
    • 学会等名
      日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Molecular structure of the S2 state with a g = 5 signal in the oxygen evolving complex of photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Mino、Shota Taguchi、Takumi Noguchi
    • 学会等名
      日本生物物理学会年会
  • [学会発表] Involvement of the chloride channel in proton transfer during water oxidation in photosystem II2020

    • 著者名/発表者名
      杉山綾音、嶋田友一郎、長尾遼、野口巧
    • 学会等名
      日本生物物理学会年会
  • [学会発表] g = 5 をもつ酸素発生系マンガンクラスターの分子構造2020

    • 著者名/発表者名
      三野広幸、田口翔太、野口巧
    • 学会等名
      電子スピンサイエンス学会年会
  • [学会発表] 高速原子間力顕微鏡を用いた光化学系IIの動態観察2020

    • 著者名/発表者名
      戸叶貴也、加藤祐樹、杉山翔吾、野口巧、内橋貴之
    • 学会等名
      日本生体エネルギー研究会
  • [図書] 量子力学/分子力学(QM/MM)計算による金属タンパク質の研究、生命金属ダイナミクス-生体内における金属の挙動と制御2021

    • 著者名/発表者名
      中村伸、野口巧、吉澤一成
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-706-0
  • [備考] Nagoya Phys G lab

    • URL

      https://www.bio.phys.nagoya-u.ac.jp/

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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