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2017 年度 実績報告書

光合成系Ⅱにおける水分解反応の学理解明

研究課題

研究課題/領域番号 24000018
研究機関岡山大学

研究代表者

沈 建仁  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授

研究期間 (年度) 2013 – 2017
キーワード光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 結晶構造解析 / QM/MM / 赤外分光法 / プロトン共役電子移動 / 量子力学計算
研究実績の概要

これまで可視光レーザー照射をポンプとし、X線自由電子レーザー(XFEL)を用いた連続フェムト秒結晶構造解析法(Serial femtosecond crystallography, SFX)をプローブとして用い、2閃光照射により作られた微小光化学系II(PSII)結晶の水分解反応S3中間体の構造を解析した。その結果、反応の開始状態であるS1状態との構造比較から、酸素発生の触媒中心であるMn4CaO5クラスター中のO5原子近傍に新たな酸素原子O6の挿入が確認され、O5とO6の間でO=O結合が形成され、分子状酸素が放出される反応機構が明らかになった。本年度では、1閃光照射により作り出されたS2状態について同様の手法を用いてX線解析データを収集し、S1状態からS2状態への遷移に伴う構造変化を解析した。その結果、S3状態で観察されていたO4近傍の水分子の電子密度がなくなる現象はS2状態ですでに観察され、S1状態からS2状態への遷移に伴い、O4から当該水分子を経由した水素結合ネットワークを通してプロトン移動が起きたことが示唆された。これらのS状態遷移に伴う構造変化について理論計算を行い、プロトン移動、O=O結合の形成経路について重要な知見を得た。
PSII複合体における脂質の役割を明らかにするため、PSIIに結合している脂質のひとつであるSQDGの合成遺伝子を欠損させた変異体からPSII二量体を精製し、結晶化・構造解析を行なった。その結果、SQDG欠失変異株でPSII二量体が著しく不安定化し、単量体の量が増加したが、水分解活性は十分維持されていた。その理由は、PSII単量体あたり4つあるSQDG結合部位のすべてにおいて、SQDG欠損変異株では他の脂質分子が結合していたからである。そのうちのひとつはリン脂質(PG)が結合したことを同定したが、他の3つの結合部位に結合した脂質分子はディスオーダーのため同定できなかった。これらの結果は、SQDGはPSIIの構造維持に重要な役割を担っており、その結合部位は他の脂質に置換することによりPSIIの構造と機能が維持されていることが示唆された。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2017 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 6件、 査読あり 7件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件、 招待講演 8件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] 中国科学院植物研究所/中国科学院化学研究所(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学院植物研究所/中国科学院化学研究所
  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      CNRS
  • [雑誌論文] Mutual relationships between structural and functional changes in the PsbM-deletion mutant of photosystem II.2017

    • 著者名/発表者名
      S. Uto, K. Kawakami, Y. Umena, M. Iwai, M. Ikeuchi, J. -R. Shen and N. Kamiya
    • 雑誌名

      Faraday Discussions

      巻: 198 ページ: 107-120

    • DOI

      10.1039/c6fd00213g

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Isolation and characterization of PSI-LHCI super-complex and their sub-complexes from a red alga Cyanidioschyzon merolae2017

    • 著者名/発表者名
      Tian L., Liu Z., Wang F., Shen L., Chen J., Chang L., Zhao S., Han G., Wang W., Kuang T., Qin X., Shen J. -R.
    • 雑誌名

      Photosyn. Res.

      巻: 133 ページ: 201-214

    • DOI

      10.1007/s11120-017-0384-9

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Crystal structure and redox properties of a novel cyanobacterial heme-protein with a His/Cys heme axial ligation and a per-arnt-sim (PAS) -like domain.2017

    • 著者名/発表者名
      Motomura T., Suga M., Hienerwadel R., Nakagawa A., Lai T. -L., Nitschke W., Kuma T., Sugiura M., Boussac A., Shen J. -R.
    • 雑誌名

      J. Biol. Chem.

      巻: 292 ページ: 9599-9612

    • DOI

      10.1074/jbc.M116.746263

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular catalysts for artificial photosynthesis : general discussion2017

    • 著者名/発表者名
      Wang M., Artero V., Hammarström L., Martinez J., Karlsson J., Gust D., Summers P., Machan C., Brueggeller P., Windle C. D., Kageshima Y., Cogdell R., Tolod K. R., Kibler A., Apaydin D. H., Fujita E., Ehrmaier J., Shima S., Gibson E., Karadas F., Harriman A., Inoue H., Kudo A., Takayama T., Wasielewski M., Cassiola F., Yagi M., Ishida H., Franco F., Kang S. O., Nocera D., Li C., Di Fonzo F., Park H., Sun L., Setoyama T., Kang Y. S., Ishitani O., Shen J. -R., Son H. J., Masaoka S.
    • 雑誌名

      Faraday Discussions

      巻: 198 ページ: 353-395

    • DOI

      10.1039/c7fd90017a

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Biological approaches to artificial photosynthesis, fundamental processes and theoretical approaches : general discussion2017

    • 著者名/発表者名
      Artero V., Hammarström L., Fan F., Whang D. R., Martinez J., Harriman A., Noguchi T., Karlsson J., Summers P., Itoh S., Cogdell R., Kibler A., Ehrmaier J., Tamiaki H., Fujita E., Shima S., Yoshino S., Inoue H., Wasielewski M., Corry T., Gust D., Cassiola F., Ishida H., Takagi K., Kang S. O., Li C., Sun L., Park H., Hashimoto H., Amao Y., Son E. J., Kamiya N., Shen J. -R., Yamaguchi K.
    • 雑誌名

      Faraday Discussions

      巻: 198 ページ: 147-168

    • DOI

      10.1039/c7fd90016c

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Probing structure-function relationships in early events in photosynthesis using a chimeric photocomplex2017

    • 著者名/発表者名
      Nagashima K. V. P., Sasaki M., Hashimoto K., Takaichi S., Nagashima S., Yu L. -J., Abe Y., Gotou K., Kawakami T., Takenouchi, M. Shibuya Y., Yamaguchi A., Ohno T., Shen J. -R., Inoue K., Madigan M., Kimura Y., Wang-Otomo Z. -Y.
    • 雑誌名

      Proc. Natl. Acad. Sci. USA.

      巻: 114 ページ: 10906-10911

    • DOI

      10.1073/pnas.1703584114

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The crystal structure of Deg9 reveals a novel octameric-type HtrA protease2017

    • 著者名/発表者名
      Ouyang M., Li X., Zhao S., Pu H., Shen J. -R., Adam Z., Clausen T., Zhang L.
    • 雑誌名

      Nature Plants

      巻: 3 ページ: 973-982

    • DOI

      10.1038/s41477-017-0060-2

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 光合成水分解反応の仕組み-植物に学ぶ 光エネルギーの高効率利用2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      みどりの学術賞受賞講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water-splitting from a structural point of view2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      Gordon Research Conference on Photosynthesis
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water oxidation based on atomic structure of photosystem II2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      IBC2017, The XIX International Botanical Congress
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 植物に学ぶ太陽光エネルギーの高効率利用一岡山県三木記念賞受賞について2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      岡山ロータリークラブ例会
    • 招待講演
  • [学会発表] 光合成光化学系ⅠⅠと光化学系Ⅰ複合体の構造と機能に関する研究2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      日本植物学会第81回大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 光合成における光水分解反応の機構解明2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      錯体化学討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] XFELによって明らかになった光化学系ⅠⅠ水分解触媒の中間体構造と反応機構2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • 学会等名
      第55回日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Mechanism of photosynthetic water oxidation based on the structural analysis of photosystem ⅠⅠ2017

    • 著者名/発表者名
      Jian-Ren Shen
    • 学会等名
      The Second International Symposium on Biofunctional Chemistry
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 「光触媒/光半導体を利用した人工光合成」 (堂面 一成、瀬戸山 亨 監修)2017

    • 著者名/発表者名
      沈 建仁
    • ページ
      31-37
    • 出版者
      株式会社エヌ・ティー・エス

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公開日: 2019-03-20  

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