生物による水素エネルギー生産を目指した光合成の水分解機構と分子構造に関する研究

2008 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18770116
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 杉浦 美羽 愛媛大学, 無細胞生命科学工学研究センター, 准教授 (80312255)
• キーワード: 生体エネルギー変換 / 光合成電子伝達系 / 酸素発生 / 部位特異的変異 / 好熱性ラン藻

研究概要

本年度は、昨年度の研究によって明らかになった光化学系II反応中心タンパク質D1をコードする3つの遺伝子ホモローグのうち、通常条件では発現しないpsbA_3産物(D1-3)で構成される光化学系IIの方が恒常的に発現しているpsbA_1由来のD1(D1-1)で構成される光化学系IIよりも水の酸化活性が高い理由について調べた。材料にはpsbA_3のみを発現させるためにpsbA_1とpsbA_2を破壊した好熱性ラン藻Thermosynechococcus elongarusの組換え体と、psbA_1が発現する野生株を用いた。360アミノ酸から成るD1-1とD1-3では、20残基が異なっている。これら違いのうち、電子伝達コファクターであるPheoと水素結合できる距離にある130番目のアミノ酸がD1-1ではG1n、D1-3ではG1uである。また、Q_Bから約10Aの距離にある212番目と270番目のアミノ酸がD1-1ではそれぞれCysとSerであるのに対し、D1-3ではSerとAlaである。そこで、Pheo-/Pheoの酸化還元電位の違いを熱発光で測定したところ、D1-3の方がD1-1よりも酸化還元電位が高くなっていることが分かった。更にP_<680>とPheoの電荷分離速度を測定したところ、D1-3の方が速くなっていた。また、Q_B結合部位に結合できる化合物であるDCMUおよびブロモキシニルを単離した光化学系IIに結合させて電子伝達を阻害して水の酸化活性を測定すると、D1-1に比べてD1-3へのブロモキシニルへの親和性が高かった。以上の結果より、D1-3で構成される光化学系IIの方がD1-1で構成されるものよりも高い水の酸化活性を持つのは、Pheoの電位が高いためにP_<680>との電荷分離が速くなるためであることが明らかになった。Q_B結合部位の違いが直接水の酸化速度に関係するとは考えられないが、この違いについては今後の課題としたい。

研究成果

• [雑誌論文] Probing the coupling between proton and electron transfer in Photosystem II core complexes containing a 3-fluorotyrosine (2009)
  • 著者名/発表者名: IRappaport, F., Boussac, A., Force, D. A., Peloquin, J., Brynda, M., Sugiura, M., Un, U., Britt, R., and Diner. B
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 131 ページ: 4425-4433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complete EPR spectrum of the S3-state of the oxygen-evolving Photosystem II (2009)
  • 著者名/発表者名: Boussac, A., Sugiura, M., Rutherford, A. W., and Dorlet, P
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc 131 ページ: 5050-5051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monitoring proton release during photosynthetic water oxidation in photosystem II by means of isotope-edited infrared spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, H., Sugiura, M. and Noguchi, T
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc (In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] 酸素発生型光合成微生物による光-水素生成 (2009)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽
  • 雑誌名: KEC情報(関西電子工業振興センター発刊) 208 ページ: 28-31
• [雑誌論文] Influence of Histidine-198 of the D1 subunit on the properties of the primary electron donor, P_<680>, of Photosystem II Thermosynechococcus elongatus (2008)
  • 著者名/発表者名: Sugiura, M., Boussac, A., Noguchi, T. and Rappaport, F
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1777 ページ: 331-342
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flash-induced FTIR Difference Spectroscopy Shows No Evidence for Structural Coupling of Bicarbonate to the Oxygen-Evolving Mn cluster in Photosystem II (2008)
  • 著者名/発表者名: Aoyama, C., Suzuki, H., Sugiura, M. and Noguchi, T
  • 雑誌名: Biochemistry 47 ページ: 2760-2765
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biosynthetic Exchange of Bromide for Chloride and Strontium for Calcium in the Photosystem II Oxygen-evolving Enzymes (2008)
  • 著者名/発表者名: Ishida, N, Sugiura, M., Rappaport, F., Lai, T.-L., Rutherford, A.W., and Boussac, A
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 283 ページ: 13330-13340
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotopic labelling of Photosystem II in Thermosynechococcus elongatus (2008)
  • 著者名/発表者名: Boussac, A., Verbavatzand, J.-M., and Sugiura, M
  • 雑誌名: Photosynth. Res 98 ページ: 285-292
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray crystallography identifies two chloride binding sites in the oxygen evolving centre of Photosystem II (2008)
  • 著者名/発表者名: Murray, J.W, Maghlaoui, K., Kargul, J., Ishida, N., Lai, T.-L., Rutherford, A.W., Sugiura, M., Boussac. A. and Barber, J
  • 雑誌名: Energy & Environmental Science 1 ページ: 161-166
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum efficiency distributions of photo-induced side-pathway donor oxidation at cryogenic temperature in Photosystem II (2008)
  • 著者名/発表者名: Hughes, J. L., Rutherford, A. W., Sugiura, M. and Krausz, E
  • 雑誌名: Photosynth. Res 98 ページ: 199-266
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evidence for a stable association of Psb30 (Ycf12) with photosystem II core complex in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (2008)
  • 著者名/発表者名: Inoue-Kashino, N., Takahashi, T., Ban, A., Sugiura, M., Takahashi, Y., Satoh, K., and Kashino, Y
  • 雑誌名: Photosynth. Res 98 ページ: 323-335
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monitoring water reactions during the S-state cycle of the photosynthetic water-oxidizing center: Detection of the DOD bending vibrations by means of Fourier transform infrared spectroscopy (2008)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, H., Sugiura, M. and Noguchi, T
  • 雑誌名: Biochemistry 47 ページ: 22024-11030
  • 査読あり
• [雑誌論文] The role of TyrD in the electron transfer kinetics in Photosystem II (2008)
  • 著者名/発表者名: Szczepaniak, M., Sugiura, M., and Holzwarth, A. R
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1777 ページ: 1510-1517
  • 査読あり
• [学会発表] 酸化反応におけるDl-His332の役割 (2009)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽、大野陽平、Alain Boussac、Fabrice Rappaport、鈴木博行、野口巧、林秀則
  • 学会等名: 第50回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20090321-24
• [学会発表] 光化学系IIタンパク質複合体の分子構造の解析の現状 (2009)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽
  • 学会等名: 平成20年度愛媛地区分析化学講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2009-01-29
• [学会発表] 光化学系IIの構造と機能の解明から応用まで (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽
  • 学会等名: 第46回日本生物物理学会
  • 発表場所: 福岡国際会議場
  • 年月日: 20081203-05
• [学会発表] 光化学系IIにおける水の分解メカニズム (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽
  • 学会等名: 日本化学会中国四国支部会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2008-12-04
• [学会発表] Effects of P_<680> ligand substitution in the oxygen-evolving Photosystem II of Thermosynechococcus elongatus (2008)
  • 著者名/発表者名: Miwa Sugiura, Alain Boussac, Takumi Noguchi, and Fabrice Rappaport
  • 学会等名: Protein Island Matsuyama Inernational Symposium
  • 発表場所: 松山全日空ホテル
  • 年月日: 2008-09-26
• [学会発表] 酸素発生型光合成微生物による光-水素生成 (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽
  • 学会等名: 2008年度KECセミナー新エネルギー開発の現状と将来〜更なるCO_2削減を目指して〜
  • 発表場所: (社)関西電子工業振興センター
  • 年月日: 2008-07-18