酸素発生触媒部位の電位から解き明かす光合成水分解反応機構

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
• 研究課題/領域番号: 20H05090
• 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 – 2022-03-31
• キーワード: 人工光合成

研究実績の概要

植物などが行う天然光合成における水分解酸素発生反応は蛋白質photosystem II (PSII)で行われる。本研究では、最近の結晶構造で明らかにされたMn4CaO5近傍の水分子挙動および水分解に関わる電子移動経路のコファクターのエナジェティクスをも分子化学的に解明した（Mandal et al. J. Phys. Chem. Lett. 2020; Mandal et al. J. Phys. Chem. Lett. 2021）。水分解反応に重要であるものの酸化還元活性がないCa2+イオン（Saito et al. Biochemistry 2020）やCl-イオン（Mandal et al. J. Phys. Chem. B 2022）に関しても、その意義を明らかにした。さらに、H+移動経路に関わると考えられるアミノ酸変異体を実験研究との共同研究で100種類以上解析し、プロトン移動に関わる重要なアミノ酸残基を同定した（Kuroda et al. Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 2021）。
光誘起・電荷分離反応が起こることで水分解反応は駆動されるが、そこに関わるクロロフィルやフェ尾フィティンを含めたでな分離状態のエナジェティクス（Tamura et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2020）やダイナミクス（Tamura et al. Chem. Sci. 2021）を明らかにした。また、電荷分離状態を最終的に安定化させるキノンへの電子移動とプロトン移動の反応機構に関しても解明を行った（Saito et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020; Sugo et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2021）。また

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] 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
• [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] 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 absorption wavelength shifts in anion channelrhodopsin-1 mutants (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Noji Tomoyasu、Saito Keisuke、Kojima Keiichi、Sudo Yuki、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 ページ: 148349-148349
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148349
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Proton transfer pathway from the oxygen-evolving complex in photosystem II substantiated by extensive mutagenesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuroda Hiroshi、Kawashima Keisuke、Ueda Kazuyo、Ikeda Takuya、Saito Keisuke、Ninomiya Ryo、Hida Chisato、Takahashi Yuichiro、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 ページ: 148329-148329
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148329
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of intermediate conformations in the photocycle of the light-driven sodium-pumping rhodopsin KR2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 296 ページ: 100459-100459
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2021.100459
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nature of Asymmetric Electron Transfer in the Symmetric Pathways of Photosystem I (2021)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Koji、Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 125 ページ: 2879-2885
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c10885
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two Distinct Oxygen-Radical Conformations in the X-ray Free Electron Laser Structures of Photosystem II (2021)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 12 ページ: 4032-4037
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c00814
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The origin of unidirectional charge separation in photosynthetic reaction centers: nonadiabatic quantum dynamics of exciton and charge in pigment?protein complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 ページ: 8131-8140
  • DOI: 10.1039/D1SC01497H
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of redox-inactive metals in controlling the redox potential of heterometallic manganese?oxido clusters (2021)
  • 著者名/発表者名: Saito Keisuke、Nakagawa Minesato、Mandal Manoj、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 148 ページ: 153-159
  • DOI: 10.1007/s11120-021-00846-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of the formation of proton transfer pathways in photosynthetic reaction centers (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugo Yu、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 ページ: e2103203118
  • DOI: 10.1073/pnas.2103203118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electron Acceptor?Donor Iron Sites in the Iron?Sulfur Cluster of Photosynthetic Electron-Transfer Pathways (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanda Tomoki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 12 ページ: 7431-7438
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c01896
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural basis for high selectivity of a rice silicon channel Lsi1 (2021)
  • 著者名/発表者名: Saitoh Yasunori、Mitani-Ueno Namiki、Saito Keisuke、Matsuki Kengo、Huang Sheng、Yang Lingli、Yamaji Naoki、Ishikita Hiroshi、Shen Jian-Ren、Ma Jian Feng、Suga Michihiro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 6236
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26535-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exploring the Retinal Binding Cavity of Archaerhodopsin-3 by Replacing the Retinal Chromophore With a Dimethyl Phenylated Derivative (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuneishi Taichi、Takahashi Masataka、Tsujimura Masaki、Kojima Keiichi、Ishikita Hiroshi、Takeuchi Yasuo、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Frontiers in Molecular Biosciences 巻: 8 ページ: 794948
  • DOI: 10.3389/fmolb.2021.794948
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Proton transfer pathway in anion channelrhodopsin-1 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Kojima Keiichi、Kawanishi Shiho、Sudo Yuki、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: eLife 巻: 10 ページ: e72264
  • DOI: 10.7554/eLife.72264
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-Range Electron Tunneling from the Primary to Secondary Quinones in Photosystem II Enhanced by Hydrogen Bonds with a Nonheme Fe Complex (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 125 ページ: 13460-13466
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c09538
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Requirement of Chloride for the Downhill Electron Transfer Pathway from the Water-Splitting Center in Natural Photosynthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 126 ページ: 123-131
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c09176
  • 査読あり / オープンアクセス