光合成反応中心での非対称電子移動を誘起する蛋白質分子内因子の特定

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H03217
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 石北 央 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (00508111)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 人工光合成 / 電荷分離 / 水分解酸素発生 / プロトン移動 / 電子移動 / 結晶構造

研究実績の概要

当初研究計画の提案「電荷分離のエナジェティクスの解析」は、周到な準備に基づいてなされたことが功を奏した。その理由の一つとして、基礎的な電子移動のエナジェティクスである酸化還元電位を静電相互作用計算に基づいてPbRC, PSIIにおいて完了していた [論文: Chem. Sci. (2018)] ことが、研究の円滑な実施の礎となった。

酸化還元電位は電子移動経路対において異なる値を示し電子移動のエナジェティクスは異なることは明らかであったが、電荷分離時の正孔との相互作用を反映できていないものであった。酸化還元電位では電子移動経路間に差はあることは見えたものの、基本的に両経路とも電子移動のエナジェティクスはdownhillであった。一方、電荷分離状態をも考慮したエナジェティクスでは不活性側の電子移動経路のエナジェティクスは完全にuphillとなり電子移動に不利である様が、明確に現れている。非対称電子移動経路の所以（ゆえん）は、PbRCでは極性環境（「極性アミノ酸残基の分布」や「タンパク質形状」の差）の差であるのに対し、PSIIでは水分解触媒部位のD1側への局在、それに伴うプロトン移動経路のD1側への局在に大きく由来するものであった。

以上、成果論文として[Chem. Sci. 12 (2021)] [Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. (2020)]　等を発表した。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Proton transfer and conformational changes along the hydrogen bond network in heliorhodopsin (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Chiba Yoshihiro、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 ページ: 1336
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04311-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electron Transfer Route between Quinones in Type-II Reaction Centers (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugo Yu、Tamura Hiroyuki、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 126 ページ: 9549～9558
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c05713
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of Absorption Wavelength Shift of Bacteriorhodopsin During Photocycle (2022)
  • 著者名/発表者名: Noji Tomoyasu、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 126 ページ: 9945～9955
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c04359
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energetics of the Electron Transfer Pathways in the Homodimeric Photosynthetic Reaction Center (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tomoki、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 61 ページ: 2621～2627
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.2c00524
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Protonation structure of the closed-cubane conformation of the O2-evolving complex in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Mino Hiroyuki、Nishio Shunya、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 1 ページ: pgac221
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proton-mediated photoprotection mechanism in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugo Yu、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 13 ページ: 934736
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.934736
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A self-assembled coordination cage enhances the reactivity of confined amides <i>via</i> mechanical bond-twisting (2022)
  • 著者名/発表者名: Tamura Hiroyuki、Takezawa Hiroki、Fujita Makoto、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 24 ページ: 21367～21371
  • DOI: 10.1039/D2CP03126D
  • 査読あり
• [雑誌論文] D139N mutation of PsbP enhances the oxygen-evolving activity of photosystem II through stabilized binding of a chloride ion (2022)
  • 著者名/発表者名: Imaizumi Ko、Nishimura Taishi、Nagao Ryo、Saito Keisuke、Nakano Takeshi、Ishikita Hiroshi、Noguchi Takumi、Ifuku Kentaro
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 1 ページ: pgac136
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac136
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Conformational Changes and H-Bond Rearrangements during Quinone Release in Photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugo Yu、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 61 ページ: 1836～1843
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.2c00324
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Correlation between C?O Stretching Vibrational Frequency and p<i>K</i>_a Shift of Carboxylic Acids (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Xu Tianyang、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 126 ページ: 4999～5006
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c02193
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Release of a Proton and Formation of a Low-Barrier Hydrogen Bond between Tyrosine D and D2-His189 in Photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: ACS Physical Chemistry Au 巻: 2 ページ: 423～429
  • DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Absorption wavelength along chromophore low-barrier hydrogen bonds (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: iScience 巻: 25 ページ: 104247～104247
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104247
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of Mixed-Valence Fe^2.5+・・・Fe^2.5+ Formation in Fe₄S₄ Clusters in the Ferredoxin Binding Motif (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tomoki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 126 ページ: 3059～3066
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c01320
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Release of Electrons and Protons from Substrate Water Molecules at the Oxygen-Evolving Complex in Photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 ページ: 091012
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.091012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure-guided design enables development of a hyperpolarized molecular probe for the detection of aminopeptidase N activity in vivo (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito Yutaro、Yatabe Hiroyuki、Tamura Iori、Kondo Yohei、Ishida Ryo、Seki Tomohiro、Hiraga Keita、Eguchi Akihiro、Takakusagi Yoichi、Saito Keisuke、Oshima Nobu、Ishikita Hiroshi、Yamamoto Kazutoshi、Krishna Murali C.、Sando Shinsuke
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 ページ: eabj2667
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj2667
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Energetics of time-dependent structural changes in the photosynthetic electron transfer pathway (2022)
  • 著者名/発表者名: 西川 凱、菅生 優、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Energetics of proton transfers in the communication channel between two active sites of pyruvate oxidase (2022)
  • 著者名/発表者名: 高見 亮成、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Why is the oxygen-evolving complex in photosystem II composed of manganese instead of iron? (2022)
  • 著者名/発表者名: 齊藤 昌弘、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Energy transfer pathways in light harvesting complex II (2022)
  • 著者名/発表者名: 鍵本 拓海、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Effect of chlorine substitution by iodine in oxygen-evolving photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: 陳 楊、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Extracellular electron transfer pathways in the multi-heme MtrABC complex (2022)
  • 著者名/発表者名: 沖 樹、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Origin of electron paramagnetic resonance signals from the water-splitting complex in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: 西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] Electron transfer pathways in photosynthetic type-I reaction centers (2022)
  • 著者名/発表者名: 神田 知樹、石北 央
  • 学会等名: 第２回システム生物医学研究会
• [学会発表] 光・電子・プロトンとタンパク質分子 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石北 央
  • 学会等名: 第２６回新学術「高速分子動画」オンラインセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 水分解反応触媒における電子スピン共鳴 シグナルの起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
  • 学会等名: 第36回分子シミュレーション大会
• [学会発表] タンパク質分子構造と機能をつなぐ光・電子・プロトン (2022)
  • 著者名/発表者名: 石北 央
  • 学会等名: 第19回糖鎖科学コンソーシアムシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Light absorption, proton transfer, and ion transport in the light-driven sodium-pumping rhodopsin KR2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Tsujimura, Hiroshi Ishikita
  • 学会等名: 19th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of electron paramagnetic resonance signals from the water-splitting complex in photosystem II (2022)
  • 著者名/発表者名: 西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
  • 学会等名: 第14回筑波大学計算科学研究センター創立30周年記念シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] A newly designed hyperpolarized molecular probe enables the in vivo detection of aminopeptidase N activity from the tumor regions in animals (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Yatabe, Yutaro Saito, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Keita Hiraga, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Keisuke Saito, Nobu Oshima, Hiroshi Ishikita, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • 学会等名: WMIC2022
  • 国際学会
• [学会発表] 微生物型ロドプシンの吸収波長とプロトン移動の制御機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 辻村 真樹、石北 央
  • 学会等名: 第60回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 光合成反応中心における一方向の励起子電荷分離経路の分子論的起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第16回分子科学討論会
• [学会発表] 光合成反応中心における一方向の励起子電荷分離 経路の起源 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 2022年光化学討論会
• [学会発表] 酵素反応速度論に立脚したアミノペプチダーゼ活性検出超偏極MRI分子プローブの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤 雄太朗、谷田部 浩行、田村 伊織、近藤 洋平、石田 諒、関智 宏、平賀 啓太、江口 晃弘、高草木 洋一、斉藤 圭亮、大嶋野 歩、石北 央、山本 和俊、Murali C. Krishna、山東 信介
  • 学会等名: 第16回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Quinone-mediated electron transfer in type II reaction centers (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Ishikita
  • 学会等名: 18th International Congress on Photosynthesis Research 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] タンパク質中におけるプロトン移動と電子移動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石北 央
  • 学会等名: 物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線：理論と実験との密な協働」
  • 招待講演
• [学会発表] 光受容タンパク質の色素が形成する低障壁水素結合における吸収波長 (2022)
  • 著者名/発表者名: 辻村 真樹、田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
  • 学会等名: 第48回生体分子科学討論会
• [学会発表] ヘリオロドプシンの水素結合ネットワークと光反応におけるプロトン移動経路の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 千葉 義大、辻村 真樹 、石北 央
  • 学会等名: 第22回 日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 微生物型ロドプシンにおける光駆動イオン輸送機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 辻村 真樹、小島 慧一、須藤 雄気、石北 央
  • 学会等名: 第22回 日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 塩素イオンの結合安定化を介した光 化学系 II の酸素発生活性の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今泉 滉、西村 大志、長尾 遼、斉藤 圭亮、中野 雄司、石北 央、野口 巧、伊福 健太郎
  • 学会等名: 日本光合成学会年会