光合成を利用したバイオテクノロジーによる水素生産技術の研究開発

2010 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21612007
• 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: 光合成電子伝達系 / 光化学系II / 酸素発生 / 副次的電子移動 / 好熱性ラン藻 / 部位特異的変異

研究概要

本研究では、光合成微生物である好熱性ラン藻にH^+を水素に還元する酵素遺伝子を導入して機能的に発現させることを目的として、本年度は、第一の反応を担う水の酸化メカニズムを分子レベルで明らかにすること、および、発現させたタンパク質を目的の場所で機能する系を確立した。
まず、水の酸化機構については、その触媒中心であるMn_4Caクラスターに配位していると考えられるD1-His332をAlnおよびGlnに置換した好熱性ラン藻の部位特異的変異株を作製して解析を行った。その結果、このアミノ酸は水の酸化中間体のなかでも、特に水分子の取り込みに大きく関与していることが明らかになった。更に、水の速度が速くなる変異株について詳細に調べたところ、電子伝達速度の律速段階になっている電子受容体周辺の構造が変化し、その電子受容体の酸化還電位が変わっていることが明らかになった。
目的遺伝子の目的の場所での発現系を確立するために、発現制御に適したプロモータを探索し、検出しやすいレポータータンパク質(重金属結合タンパク質)に光化学系IIの表在性タンパク質のチラコイド膜輸送シグナルを連結して好熱性ラン藻における発現場所を調べた。その結果、重金属結合タンパク質が構造を維持して機能的に発現し、目的の場所であるチラコイドルーメンに輸送されてプロセシングを受けることが確認された。

研究成果

• [雑誌論文] Probing the quinone binding site of Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus containing either PsbA1 or PsbA3 as the D1 protein through the binding characteristics of herbicides (2011)
  • 著者名/発表者名: Boussac, A., Sugiura, M., Rappaprt, F.
  • 雑誌名: Biochim.Biophys.Acta (Bioenergetics) 巻: 1807 ページ: 119-129
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effect of Ca^<2+>/Sr^<2+> substitution on the electronic structure of the oxygen-evolving complex of photosystem II : A combined multi-frequency EPR, ^<55>Mn-ENDOR and DFTstudy of the S_2 state (2011)
  • 著者名/発表者名: Cox, N., Rapatskiy, L., Su, J.-H., Pantazis, D.A., Sugiura, M., Leonid, K., Dorlet, P, Rutherford, A.W., Neese, F., Boussac, A., Lubitz, L., Messinger, J.
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 巻: 133 ページ: 3635-3648
  • 査読あり
• [雑誌論文] 1064 nm deep near-infrared (NIR) excited Raman microspectroscopy for studying photolabile organisms. (2011)
  • 著者名/発表者名: Ando, M., Sugiura, M., Hayashi, H., Hamaguchi, H.-O.
  • 雑誌名: Applied Spectroscopy 巻: (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ca^<2+> determines the entropy changes associated with the formation of transition states during water oxidation by Photosystem II (2011)
  • 著者名/発表者名: Rappaport, F., Ishida, N., Sugiura, M., Boussac, A.
  • 雑誌名: Energy & Environmental Science 巻: (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] D1 protein variants in Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus studied by low temperature optical spectroscopy (2010)
  • 著者名/発表者名: Hughes, J.L, Nichola, C., Rutherford, A.W., Krausz, E., Lai, T.-L., Boussac, A., Suguira.M.
  • 雑誌名: Biochim.Biophys.Acta (Bioenergetics) 巻: 1797 ページ: 11-19
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen bond interactions of the pheophytin electron acceptor and its radical anion in photosystem II as revealed by Fourier transform infrared difference spectroscopy. (2010)
  • 著者名/発表者名: Shibuya, Y, Takahashi, R., Okubo, T., Suzuki, H., Sugiura, M., Noguchi, T.
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 49 ページ: 493-501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoelectron generation by photosystem II core complexes tethered to gold surfaces (2010)
  • 著者名/発表者名: Vittadello, M., Gorbunov, M.Y., Mastrogiovanni, D.T., Wielunski, L.S., Garfunkel E.L., Guerrero F., KirilovskyD., Sugiura, M., Rutherford, A.W., Safari A., Falkowski, P.G
  • 雑誌名: Chem.Sus.Chem. 巻: 3 ページ: 471-475
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energetics in Photosystem II from Thermosynechococcus elongatus with a D1 protein encoded by either the psbA_1 or psbA_3 gene (2010)
  • 著者名/発表者名: Sugirua, M., Kato, Y., Takahashi, R., Suzuki, H., Watanabe, T., Noguchi, T., Rappaprot, F., Boussac, A.
  • 雑誌名: Biochim.Biophys.Acta, (Bioenergetics) 巻: 1797 ページ: 1491-1499
  • 査読あり
• [雑誌論文] Psb30 contributes to structurally stabilise the Photosystem II complex in the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus (2010)
  • 著者名/発表者名: Sugiura, M., Harada, S., Manabe, T., Hayashi, H., Kashino, Y., Boussac, A.
  • 雑誌名: Biochim.Biophys.Acta, (Bioenergetics) 巻: 1797 ページ: 1546-1554
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differences in the interactions between the subunits of Photosystem II dependant on D1 protein variants in the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus (2010)
  • 著者名/発表者名: Sugiura, M., Iwai, E., Hayashi, H., Boussac, A.
  • 雑誌名: J.Biol.Chem. 巻: 285 ページ: 30008-30018
  • 査読あり
• [学会発表] 部分構造の異なる反応中心タンパク質D1で構成される光化学系IIのエナジェティクスの違い (2011)
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「分子科学と生理学が解き明かす植物の光エネルギー変換の新展開」
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所
  • 年月日: 20110309-10
• [学会発表] Recent progress in Photosystem II research using mutagenesis of Thermosynechococcus elongatus (2011)
  • 著者名/発表者名: Miwa Sugiura
  • 学会等名: Japanese-Finnish Seminar 2011
  • 発表場所: Okayama
  • 年月日: 20110301-20110305
• [学会発表] 光合成によるエネルギー変換と水の酸化機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽
  • 学会等名: "2011世界化学年"記念 JSTさきがけ研究領域合同シンポジウム「人類の危機に挑む研究開発:光と太陽エネルギー」
  • 発表場所: 神奈川大学
  • 年月日: 2011-03-28
• [学会発表] Overview of Photosystem II and artificial photosynthesis research (2010)
  • 学会等名: The 70th Okazaki International Conference
  • 発表場所: Okazaki
  • 年月日: 20101204-06
• [学会発表] Structural stability of Photosystem II complex composed of either PsbA1 or PsbA3 PsbA1もしくはPsbA3で構成される光化学系II複合体の構造的な安定性の違い (2010)
  • 著者名/発表者名: Miwa Sugiura Yhki Kato, Alain Boussac3
  • 学会等名: 第49回 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 20100920-20100922
• [学会発表] Molecular structure and function of Thermosynechococcus elongatus Photosystem II composed of either D1:1 or D1:3 (2010)
  • 著者名/発表者名: Miwa Sugiura, Fabrice Rappaport, Yuki Kato, Takumi Noguchi, Alain Boussac
  • 学会等名: The 15th International Congress of Photosynthesis
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 20100822-20100827
• [学会発表] Spectroelectrochemical determination of the redox potentials of electron acceptors, pheophytin α and primary quinone QA, in photosystem II (2010)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kato, Tadao Shibamoto, Akinori Oda, Miwa Sugiura, Tadashi Watanabe
  • 学会等名: The 15th International Congress of Photosynthesis
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 20100822-20100827
• [学会発表] Energetics within photosystem II based on the redox potentials of pheophytin α and primary quinone QA determined by spectroelectrochemistry (2010)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kato, Miwa Sugiura, Tadashi Watanabe
  • 学会等名: Molecular Basis of Photosynthetic Energy and Electron Transfer and Related Respiratory Processes～Satellite Meeting
  • 発表場所: Nanyang Technical University, Singapore
  • 年月日: 20100818-20100820
• [学会発表] 分光電気化学法による光化学系II電子受容分子の酸化還元電位計測 (2010)
  • 著者名/発表者名: 加藤祐樹, 芝本匡雄, 杉浦美羽, 渡辺正
  • 学会等名: 第37回生体分子科学討論会
  • 発表場所: 山口大学
  • 年月日: 20100618-20100619
• [学会発表] 光化学系II複合体タンパク質の分子構造と機能の関係 (2010)
  • 著者名/発表者名: 杉浦美羽
  • 学会等名: 2010年 ナノ学会第8回大会 未来を拓くナノサイエンス:理学、工学、医学への広がり
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター
  • 年月日: 20100513-20100515