光合成蛋白質と金属ナノ粒子を用いた人工光エネルギー水分解システムの開発

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23657099
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 野口 巧 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60241246)
• キーワード: 光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 人工光合成 / 金属ナノ粒子

研究概要

酸素発生能を持つ光化学系II蛋白質と金属ナノ粒子を用いたハイブリッド型人工光水分解ナノシステムの開発を目指し、以下の研究を行った。
１．シアノバクテリアより調製した光化学系I(PSI)および光化学系II(PSII)を直径20 nmの金ナノ粒子(GNP)に結合させたPSI-GNP-PSII複合体について、共焦点レーザー顕微鏡を用いた極低温一分子蛍光観察を行い、これらの光合成蛋白質が同一金ナノ粒子上に結合していることを確認した。また、水を電子供与体とする光化学系IIから光化学系Iへの電子移動反応を、光化学系Iの第一電子供与体クロロフィルP700の光誘起電子吸収変化により追跡し、電子メディエーターDCPIPを介した電子移動の存在を確かめた。
２．光化学系Iに直径3 nmの白金ナノ粒子(PtNP)を結合させ、PSI-PtNP複合体を形成した。この複合体に人工電子供与体としてアスコルビン酸とTMPDを電子供与体として添加し、光を照射することにより、光エネルギーによる水素発生の検出を試みた。光照射後に得られた気体をガスクロマトグラムによって分析した結果、光照射により微量ながら水素の発生を確認した。さらに水素発生能を向上させるため、光化学系Iの電子供与体側に結合するシトクロムcを、遺伝子導入した大腸菌より精製した。このシトクロムcを電子供与側の電子メディエーターとして用いることにより、水素発生活性が著しく向上すると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Effects of hydrogen bonding interactions on the redox potential and molecular vibrations of plastoquinone as studied by density functional theory calculations (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Ashizawa and T. Noguchi
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys 巻: (in press)
  • DOI: 10.1039/C3CP54742F
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a novel cryogenic microscope with numerical aperture of 0.9 and its application to photosynthesis research (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Shibata, W. Katoh, T. Chiba, K. Namie, N. Ohnishi, J. Minagawa, H. Nakanishi, T. Noguchi and H. Fukumura
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1837 ページ: 880-887
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2014.03.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural coupling of extrinsic proteins with the oxygen evolving center in red algal photosystem II as revealed by light-induced FTIR difference spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: C. Uno, R. Nagao, H. Suzuki, T. Tomo and T. Noguchi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 52 ページ: 5705-5707
  • DOI: 10.1021/bi4009787
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional roles of D2-Lys317 and the interacting chloride ion in the water oxidation reaction of photosystem II as revealed by Fourier transform infrared analysis (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Suzuki, J. Yu, T. Kobayashi, H. Nakanishi, P. Nixon and T. Noguchi
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 52 ページ: 4748-4757
  • DOI: 10.1021/bi301699h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of the basic amino acid residues on the PsbP protein involved in the electrostatic interaction with photosystem II
  • 著者名/発表者名: T. Nishimura, C. Uno, K. Ido, R. Nagao, T. Noguchi, F. Sato and K. Ifuku
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: (in press)
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2013.12.012
  • 査読あり
• [学会発表] 光合成光化学系IIにおけるMnクラスターの損傷が非ヘム鉄の酸化還元電位に及ぼす影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 加藤祐樹, 野口巧
  • 学会等名: 日本化学会第94春季年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20140327-30
• [学会発表] 光化学系IIにおいてMn除去は非ヘム鉄の酸化還元電位を変動させるか？ (2014)
  • 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
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 20140318-20140320
• [学会発表] Dedicated comparison of light-harvesting dynamics between the cyanobacterial and the higher plant photosystem II (2014)
  • 著者名/発表者名: Ahmed Ali, Yutaka Shibata, Ryo Nagao, Takumi Noguchi, Hiroshi Fukumura
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 20140318-20140320
• [学会発表] Development of a novel cryogenic microscope and its application to the fluorescence spectroscopy of single photosystem I complexes (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Namie, Wataru Katoh, Hanayo Nakanishi, Takumi Noguchi, Hiroshi Fukumura and Yutaka Shibata
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 20140318-20
• [学会発表] 高等植物の光化学系II膜表在性サブユニットの結合様式 (2014)
  • 著者名/発表者名: 西村太志, 宇野千尋, 井戸邦夫, 長尾遼, 深尾陽一郎, 野口巧, 佐藤文彦, 伊福健太郎
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 20140318-20
• [学会発表] 光化学系IIにおけるチロシンYzの水素結合構造とプロトン移動 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中村伸, 長尾遼, 高橋亮太, 野口巧
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 20140318-20
• [学会発表] シアノバクテリアの光化学系IIにおける表在性蛋白質と水分解中心との相互作用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 長尾遼, 中西華代, 鞆達也, 野口巧
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 20140318-20
• [学会発表] 光合成水分解反応の赤外分光解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野口巧
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会
  • 発表場所: 物性研
  • 年月日: 20131111-13
• [学会発表] FTIR-spectroelectrochemical investigation into whether Mn-depletion influences the redox potential of the non-heme iron in photosystem II (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kato, Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20131028-20131030
• [学会発表] FTIR study on the functions of extrinsic proteins in cyanobacterial photosystem II: Evolutionary aspect of extrinsic proteins (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryo Nagao, Hanayo Ueoka-Nakanishi, Chihiro Uno, Tatsuya Tomo, and Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20131028-20131030
• [学会発表] FTIR evidence for the presence of a strong H-bond with high proton polarizability between the YZ radical and a His in photosystem II (2013)
  • 著者名/発表者名: Shin Nakamura, Ryo Nagao, Hanayo Ueoka-Nakanishi, Ryouta Takahashi, Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20131028-20131030
• [学会発表] FTIR-Spectroelectrochemical Study on the Influence of the Mn-depletion from photosystem II on the redox potential of the non-heme iron (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kato and Takumi Noguchi
  • 学会等名: 7th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy
  • 発表場所: Kobe, Japan
  • 年月日: 20130825-30
• [学会発表] FTIR study on the role of a chloride ion in photosynthetic water oxidation (2013)
  • 著者名/発表者名: Takumi Noguchi, Hiroyuki Suzuki, Jianfeng Yu, Takashi Kobayashi, Hanayo Nakanishi, and Peter J. Nixon
  • 学会等名: 7th International Conference on Advanced Vibrational Spectroscopy
  • 発表場所: Kobe, Japan
  • 年月日: 20130825-20130830
• [学会発表] FTIR study on the interactions of the extrinsic proteins with the water-oxidizing center in cyanobacterial photosystem II: Evolutionary aspect of the functions of the extrinsic proteins (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryo Nagao, Hanayo Ueoka-Nakanishi, Chihiro Uno, Tatsuya Tomo, and Takumi Noguchi
  • 学会等名: The 16th International Congress on Photosynthesis
  • 発表場所: St. Louis, USA
  • 年月日: 20130811-20130816
• [学会発表] Light-harvesting dynamics in photosystem II: a combination of time-resolved fluorescence spectroscopy and microscopic theory (2013)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Shibata, Ahmed Ibrahim Ali Mohamed, Shunsuke Nishi, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Ryo Nagao, Takumi Noguchi, Hiroshi Fukumura, Thomas Renger
  • 学会等名: The 16th International Congress on Photosynthesis
  • 発表場所: St. Louis, USA
  • 年月日: 20130811-20130816
• [学会発表] Influence of Mn-depletion on the redox potential of the non-heme iron in photosystem II as revealed by FTIR-spectroelectrochemistry (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kato and Takumi Noguchi
  • 学会等名: The 16th International Congress on Photosynthesis
  • 発表場所: St. Louis, USA
  • 年月日: 20130811-16
• [学会発表] Site-specific structural modification around the special pair of homodimeric photosynthetic reaction center in green sulfur bacteria (2013)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Azai, Yuko Sano, Yuki Kato, Takumi Noguchi and Hirozo Oh-oka
  • 学会等名: The 16th International Congress on Photosynthesis
  • 発表場所: St. Louis, USA
  • 年月日: 20130811-16
• [学会発表] 光合成酸素発生系における表在性蛋白質とCl－結合部位の相互作用：NO3－置換による赤外分光解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 近藤淳平、野口巧
  • 学会等名: 日本光合成学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20130531-20130601
• [学会発表] 光化学系IIにおけるMn除去が非ヘム鉄の酸化還元電位に及ぼす影響 －FTIR-分光電気化学法によるアプローチ (2013)
  • 著者名/発表者名: 加藤祐樹、野口巧
  • 学会等名: 日本光合成学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20130531-20130601
• [学会発表] 緑色硫黄細菌の一次電子供与体P840の酸化還元差スペクトルの帰属再検討 (2013)
  • 著者名/発表者名: 浅井智広, 佐野裕子, 加藤祐樹, 野口巧, 大岡宏造
  • 学会等名: 日本光合成学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20130531-0601
• [学会発表] 天然の光合成タンパク質と金ナノ粒子を用いた人工光合成ナノデバイスの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 河原弘典, 井上名津子, 加藤祐樹, 中西華代, 鞆達也, 菓子野康浩, 野口巧
  • 学会等名: 日本光合成学会年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 20130531-0601
• [学会発表] Mechanism of photosynthetic water oxidation as studied by flash-induced FTIR difference and time-resolved IR spectroscopies (2013)
  • 著者名/発表者名: Takumi Noguchi
  • 学会等名: The XVIth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • 発表場所: Beppu, Oita, Japan
  • 年月日: 20130519-24
• [学会発表] FTIR study of photosynthetic water oxidation and application to artificial photosynthesis
  • 著者名/発表者名: Takumi Noguchi
  • 学会等名: 日本分光学会国際シンポジウム「分光学の太陽電池・天然／人工光合成への応用」
  • 発表場所: 大阪大
  • 招待講演
• [学会発表] 光化学系II水分解中心と表在性蛋白質との相互作用：FTIR法による解析
  • 著者名/発表者名: 長尾遼、中西華代、鞆達也、野口巧
  • 学会等名: 生物物理学会中部支部講演会
  • 発表場所: 岡崎
• [学会発表] 光化学系IIにおけるMnクラスターの損傷がアクセプター側機能分子に及ぼす影響 －FTIR分光電気化学計測による解析
  • 著者名/発表者名: 加藤祐樹、野口巧
  • 学会等名: 生物物理学会中部支部講演会
  • 発表場所: 岡崎
• [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: http://www.glab.phys.nagoya-u.ac.jp/