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

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。

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。