2014 Fiscal Year Annual Research Report
光合成・光化学系Ⅱ複合体の原子分解能における酸素発生機構の解明
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24227002
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
神谷 信夫 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (60152865)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
八ツ橋 知幸 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (70305613)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 光化学系II / 光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 人工光合成 / 金属クラスター / 酸化状態 / SPring-8 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光化学系II複合体(PSII)の水分解・酸素発生機構を解明するために、PSIIの酸素発生KokサイクルにおけるMn4Caクラスターの中間体(Si状態、i = 0 - 4)に関する構造情報を得ることを目指している。これまでに、既に報告したS1状態の構造（PDB-ID:3ARC）を見直して、Mn4Caクラスター内の原子間距離の精度をX線結晶学の立場から検証した。また構造解析に用いる回折強度データを可能な限り少ないX線量で収集し、Mn原子のX線還元を低減した構造解析を進めた。これらの結果に基づいて以下の5項目について構造解析を進めている。１酸素発生機構に関与する塩素イオンを臭素イオンまたはヨウ素イオンと入れ替えた2種類の置換体、２酸素発生に連動する電子移動を停止させる除草剤4種類との複合体、３遺伝子操作によりPSIIの小分子量サブユニットのひとつ、PsbMを欠失して電子移動速度が低下した変異体、４X線の異常分散効果を利用した、S1状態にあるMn4Caクラスターの4個のMn原子の価数の同定、５フェムト秒レーザーの多光子吸収を利用したS2状態の実現とその構造解析。
本年度は、昨年度までに確立した同型性の高い結晶を多数調製する技術に基づいて、構造解析に用いる回折強度データを可能な限り少ないX線量で収集し、Mn原子のX線還元を低減した構造解析を集中して進め、合計17個の結晶から回折強度データを収集し、従来の１割以下までX線還元を低減し、かつ回折分解能を従来の1.9 オングストロームから1.77オングストロームまで改善することに成功した。その結果、Mn4Caクラスターを構成するCaとそれに配位するアミノ酸残基、水の再配置構造を見いだすことができた。このCa再配置は過去15年に及ぶPSIIの結晶構造解析の歴史の中で初めて見いだされたものであり、大きな学術的インパクトをもっている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」の項に記述したように、本研究の目標の内S1状態の構造の見直し（PDB-ID:3ARCを一部修正し、3WU2で再登録）は既に完了している。Mn4Caクラスターを構成するMn原子のX線還元を低減した構造解析にも成功した。目標の１から３については、合計７種類のPSII試料に対して既にX線結晶構造解析を既に完了させている。４については、昨年度に同型性の高い結晶を多数確保することに成功して研究を進め、現状の達成度は80%程度と考えている。５についても、フェムト秒レーザーの多光子吸収を利用してPSIIのS2状態を実現させる技術を開発することに成功し、多数のS2状態結晶を準備する作業を開始した。この研究項目に対する達成度は50%程度と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、Mn4Caクラスターを構成するMn原子のX線還元を低減させた構造解析技術が全体の鍵となっており、今回新たに見いだされたCa再配置構造に関する研究を完成させる。研究目標の１から３については、7種類のPSII試料全てに対して結晶構造解析は完了しており、酸素発生活性測定、各種の分光学的測定を行って酸素発生機能に関する情報を含めて論文発表を行う。４については、さらに低いX線照射量の回折強度データを収集して、構造の再現性の確認を含めて目標の達成を目指す。５については、多数のS2状態の同型結晶を準備して結晶構造解析を行う。研究期間終了までには、すべての目標を達成し、PSIIの水分解・酸素発生機構の全容解明を目指す。
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