Elucidation of the mechanisms for light-induced water-splitting and light energy utilization in photosynthesis

阐明光诱导水分解和光合作用中光能利用的机制

• 批准号: 22H04916
• 负责人: 沈 建仁
• 金额: $ 401.69万
• 依托单位: Okayama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2027-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22H04916/
• 关键词: 光化学系II; 水分解反応; 時分割X線結晶構造解析; クライオ電顕構造解析; 理論計算; 光合成; 水分解; 酸素発生; エネルギー移動; 高精度量子力学計算; Coupled-Cluster (CC)計算; 人工光合成

本研究の目的は、光合成における光誘導水分解反応の機構と光エネルギーの高効率利用機構の解明である。光誘導水分解反応の機構解析では、時分割ポンプ－プローブシリアルフェムト秒X線結晶構造解析法(SFX法)を用いて、光化学系II(PSII)のマイクロ結晶に1または2閃光照射で得られたS2, S3中間状態の形成について、nsec-msecの時間範囲でデータを収集し、解析した。その結果、S3状態で新たな酸素原子(O6)が挿入される前にMn4CaO5クラスター及びその周辺で様々な構造変化が起き、特にD1-Glu189近傍で新たな酸素原子(O6*)が出現し、それがO6の前駆体であることを発見した。これらの発見は、PSIIによる水分解・酸素発生反応の機構解明に重要な意味を持っている。それらの実験結果を検証するため、高精度量子化学計算を実施するための専用計算機システムを筑波大学計算科学研究センターに設置し、MnクラスターでのCoupled Cluster（CC）計算が実行できることを確認し、まずはS1状態の計算、大規模モデル、スピン状態の検討を行った。さらに基質である水の挿入経路、産物であるプロトンの排出経路に寄与する水素結合ネットワークを理論的に検討した。プロトンの排出経路を特定するため、D1タンパク質のアミノ酸置換体を作成し、それらが水分解反応の活性に対する影響を解析した。光エネルギーの高効率利用機構の解明においては、クライオ電子顕微鏡を用いて灰色藻Cyanophora paradoxa由来光化学系I(PSI)四量体、始原的シアノバクテリアであるGloeobacter violaceusのPSI三量体構造及び珪藻由来PSII-FCPIIの高分解能構造等を解析した。また、光捕集アンテナでの励起エネルギー移動効率について、理論モデルを構築し、そのダイナミックス研究を進めた。

The purpose of this study is to clarify the mechanism of photoinduced water decomposition and the mechanism of high efficiency utilization of photosynthesis. The mechanism analysis of photoinduced water decomposition reaction was carried out by SFX method. The formation of S2, S3 intermediate state was collected and analyzed by flash irradiation. As a result, the new acid atom (O6 *) in S3 state appears in the vicinity of D1-Glu189, especially in the vicinity of Mn4CaO5 and its surrounding structure. The mechanism of water decomposition, acid generation and reaction in PSII is important for the development of new technologies. The results of quantum chemistry calculation are verified by computer system. The calculation of Coupled Cluster (CC) is performed by computer system. The calculation of S1 state is performed. The calculation of large-scale quantum chemistry is performed. In this paper, we discuss the theory of water binding in the process of water entry, water removal and water removal. To analyze the influence of the reaction of water on the formation of acid substitutants The high efficiency utilization mechanism of photo-algae was analyzed by electron microscope. Cyanophora pardoxa was derived from photochemical system I(PSI) tetrahedron, Gloeobacter violaceus three-dimensional structure and PSII-FCPII high decomposition energy structure. The study of excitation and migration efficiency of light trapping technology is carried out in the field of theoretical research.

项目成果

Crystal structure of photosystem II and the mechanism of water oxidation

光系统II的晶体结构和水氧化机制

• 发表时间: 2022
• 作者: Shoji Mitsuo;Watanabe Natsuki;Hori Yuta;Furuya Kenji;Umemura Masayuki;Boero Mauro;Shigeta Yasuteru;Jian-Ren Shen;Jian-Ren Shen;Jian-Ren Shen
• 通讯作者: Jian-Ren Shen

Comprehensive Search of Stable Isomers of Alanine and Alanine Precursors in Prebiotic Syntheses

益生元合成中丙氨酸和丙氨酸前体稳定异构体的综合检索

• DOI: 10.1089/ast.2022.0011
• 发表时间: 2022
• 期刊: Astrobiology
• 影响因子: 4.2
• 作者: Shoji Mitsuo;Watanabe Natsuki;Hori Yuta;Furuya Kenji;Umemura Masayuki;Boero Mauro;Shigeta Yasuteru
• 通讯作者: Shigeta Yasuteru

Excited-state intermediates in a designer protein encoding a phototrigger caught by an X-ray free-electron laser

• DOI: 10.1038/s41557-022-00992-3
• 发表时间: 2022-07
• 期刊: Nature Chemistry
• 影响因子: 21.8
• 作者: Xiaohong Liu;Pengcheng Liu;Hongjie Li;Zhen Xu;Lu Jia;Yangsheng Xia;Minling Yu;Wen-Yi Tang;Xiaolei Zhu;Chao Chen;Yuanlin Zhang;E. Nango;Rie Tanaka;F. Luo;Koji Kato;Y. Nakajima;Shunpei Kishi;Huaxin Yu;N. Matsubara;S. Owada;K. Tono;S. Iwata;Long-Jiang Yu;Jian-Ren Shen;Jiangyun Wang

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Structure of photosystem II and the mechanism of water oxidation

光系统II的结构和水氧化机制

• 发表时间: 2022
• 作者: Shoji Mitsuo;Watanabe Natsuki;Hori Yuta;Furuya Kenji;Umemura Masayuki;Boero Mauro;Shigeta Yasuteru;Jian-Ren Shen;Jian-Ren Shen
• 通讯作者: Jian-Ren Shen