超高輝度極端パルスXFEL光を用いた光化学系II複合体の無損傷結晶構造解析

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26840023
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 菅 倫寛 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (60634920)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 光化学系II複合体 / 結晶構造解析 / X線自由電子レーザー / XFEL / 光合成 / 膜タンパク質

研究実績の概要

光化学系II複合体は総分子量が約700kDaの巨大膜タンパク質複合体で、太陽の光エネルギーを利用して, 水分子を電子とプロトンと分子状酸素へと分解する。この水分解反応の詳細なメカニズムの解明は再生可能でクリーンなエネルギーを作り出す人工光合成研究への応用に繋がると期待されている。
水分解反応機構のモデルでは、基質の水分子は酸素発生中心（OEC）によって電子を一つずつ引き抜かれ、S0~S3の四つの反応中間体を経て、プロトンと酸素分子へと分解される。これまでに反応開始状態に相当するS1状態におけるPSII の結晶構造は放射光で1.9 A分解能で解析され、OECの組成がMn4CaO5クラスターであり、その構造が歪んだ椅子型であることが示されていた。この放射光で決定した構造は放射線損傷の影響を受けている可能性があったため、申請者らはX線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLAの超高輝度極短X線パルスの特性を利用して無損傷構造解析を行い、天然状態のOECの原子構造を1.95 A分解能で決定した。このOEC無損傷構造から、水分解反応のスキームを幾つかに絞ることに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Structure and energy transfer pathways of the plant photosystem I-LHCI supercomplex (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, X. Qin, T. Kuang and J.R. Shen
  • 雑誌名: Current Opinion in Structural biology 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1016/j.sbi.2016.04.004
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2015)
  • 著者名/発表者名: X. Qin, M. Suga, T. Kuang and J.R. Shen
  • 雑誌名: Science 巻: 348 ページ: 989-995
  • DOI: 10.1126/science.aab0214
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] X線結晶構造解析による光化学系の 構造機能研究のこれまでとこれから (2016)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー 構造を基盤とする蛋白質科学における未解決問題
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2016-03-01
  • 招待講演
• [学会発表] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Suga
  • 学会等名: Bridging the gap: from structure to fuctional dynamics of photosynthesis related protein complexes
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2016-02-02
  • 招待講演
• [学会発表] Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex (2015)
  • 著者名/発表者名: Suga M, Qin X, Kuang T and Shen JR
  • 学会等名: The 13th Conference of the Asican Crystallographic Association (AsCA2015)
  • 発表場所: Kolkata, India
  • 年月日: 2015-12-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution revealed by XFEL pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga
  • 学会等名: The 13th Conference of the Asican Crystallographic Association (AsCA2015)
  • 発表場所: Kolkata, India
  • 年月日: 2015-12-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution revealed by XFEL pulses (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga
  • 学会等名: Japan-Korea joint workshop on XFEL sciences
  • 発表場所: Gyeongju, Korea
  • 年月日: 2015-10-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高等植物光化学系I-集捕集アンテナI 超複合体におけるエネルギー伝達経路の構造基盤 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，Xiaochun Qin, Tingyun Kuang，沈建仁
  • 学会等名: 日本結晶学会2015年度年会
  • 発表場所: 大阪府
  • 年月日: 2015-10-17
• [学会発表] 酸素発生型光合成を司る光化学系II複合体と光化学系I複合体の結晶学的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛
  • 学会等名: 日本結晶学会進歩賞受賞講演
  • 発表場所: 大阪府
  • 年月日: 2015-10-17
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーによって明らかにされた光化学系II複合体の1.95Å分解能での無損傷構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • 学会等名: 日本生物物理学会若手招待講演
  • 発表場所: 石川県
  • 年月日: 2015-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II at 1.95 Å resolution (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, F. Akita, K. Hirata, G. Ueno, H. Murakami, Y. Nakajima, T. Shimizu, K.Yamashita, M. Yamamoto, H. Ago and J.-R. Shen
  • 学会等名: 37th International Free Electron Laser Conference (FEL2015)
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2015-08-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of photosystem II in the S1 state at 1.95 Å resolution (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Suga, F. Akita, K. Hirata, G. Ueno, H. Murakami, Y. Nakajima, T. Shimizu, K.Yamashita, M. Yamamoto, H. Ago and J.-R. Shen
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Photosynthesis
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2015-07-28
  • 国際学会
• [学会発表] フェムト秒X線レーザーを用いた光化学系II複合体の1.95Å分解能での無損傷結晶構造解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • 学会等名: 日本蛋白質科学会若手奨励賞シンポジウム
  • 発表場所: 徳島県
  • 年月日: 2015-06-24
  • 招待講演
• [学会発表] Radiation damage free structure of oxygen evolving photosystem II at 1.95Å resolution revealed by X-ray Free Electron Laser (2015)
  • 著者名/発表者名: 菅倫寛，秋田総理，平田邦生，上野剛，村上博則，中島芳樹，清水哲哉，山下恵太郎，山本雅貴，吾郷日出夫，沈建仁
  • 学会等名: 第6回日本光合成学会年会
  • 発表場所: 岡山県
  • 年月日: 2015-05-22
• [備考] 光合成光化学系Ｉ複合体の構造を解明～光エネルギーの高効率利用に前進～
  • URL: http://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id303.html
• [備考] 高等植物の光化学系I-光捕集アンテナI超複合体におけるエネルギー伝達経路の構造基盤
  • URL: http://first.lifesciencedb.jp/archives/10310
• [備考] フェムト秒X線レーザーにより明らかにされた1.95Å分解能における光化学系II複合体の天然状態の構造
  • URL: http://first.lifesciencedb.jp/archives/9574