2024-02-01 岡山大学,東北大学,理化学研究所,高輝度光科学研究センター,兵庫県立大学
◆発表のポイント
- 光合成では、光化学系IIと呼ばれる膜タンパク質複合体が光エネルギーを利用して、水分子から酸素分子を生成しています。
- フェムト秒X線自由電子レーザーを用いて、光化学系IIの“ゆがんだイス”型の触媒が水分子を取り込み、酸素分子生成の準備が完了するまでの一連の動きを捉えることに成功しました。
- 本研究成果は、光合成で水分子から水素イオンと電子を取り出す仕組みの解明だけでなく、光で水を分解するための人工光合成触媒の設計にも重要な指針を提供するものです。
光合成は、光化学系IIが光エネルギーを利用して水分子から電子と水素イオンを取り出し、酸素を形成する反応から始まります。岡山大学異分野基礎科学研究所の沈建仁教授、菅倫寛教授は、東北大学多元物質科学研究所の南後恵理子教授(理化学研究所放射光科学研究センター チームリーダー)、高輝度光科学研究センターの大和田成起主幹研究員(理化学研究所放射光科学研究センター 客員研究員)、兵庫県立大学大学院理学研究科の久保稔教授らと共同で、光化学系IIの結晶に可視光を当てて反応を開始させた後に、X線自由電子レーザー施設SACLAのフェムト秒X線を用いて、光化学系IIの“ゆがんだイス”型の触媒が水分子を取り込み、酸素分子生成の準備が完了するまでの一連の動きの立体構造をナノ秒(1ナノ秒は10億分の1秒)からミリ秒の時間スケールで捉えることに成功しました。その結果、光化学系IIの内部では、タンパク質、水分子、集光色素などがオーケストラのように協奏的に働き、水の移動や水素イオンの排出を進行させることがわかりました。この働きによって運動性が高まった水分子が、触媒に過渡的に結合した後、その内部へと取り込まれていく様子が初めて観測されました。これらの結果は、光合成において酸素分子が形成される反応の仕組みを明らかにするものです。特に、酸素の材料となる水分子が、いつ、どこを通って触媒まで到達するのか、という疑問に答えるものです。本研究成果は、英国時間1月31日午後4時(日本時間2月1日午前1時)、英国科学誌「Nature」に掲載されます。
本研究で明らかになった酸素分子を形成する仕組みは、光エネルギーを利用して水から電子と水素イオンを取り出して有用な化学物質を作り出す「人工光合成」の技術を開発するための重要な知見を与えると期待されます。
図1. 本研究で明らかにした光化学系IIでの酸素形成の仕組み
図2. 光化学系IIの全体構造
全20個のタンパク質からなる複合体が2つ集合して1つの構造をとり、水分子から水素イオン(H+)と電子(e–)を取り出して酸素分子を形成する反応を触媒する。赤丸で囲んだ部分に反応を進行させる触媒があり、これは右側に拡大するようにゆがんだイス型のマンガンクラスターである。
図3. 光化学系IIが光を吸収してから酸素形成の準備が完了するまでの動的構造
光化学系IIの特別なクロロフィルは光を吸収すると励起して電子を放出する。その後、特別なクロロフィルは触媒から電子を1つ受け取り、反応は次のステップに進む。この図は反応サイクルのS2状態と呼ばれる段階から酸素形成の直前の段階であるS3状態に変化するまでの動的構造を表している。ゆがんだイス型の触媒は200ナノ秒の速い段階では何も変化が起きないが、1マイクロ秒になると水の経路から運ばれた水分子O6*(水色破線)がカルシウムイオン(青色)に一時的に結合する。この水分子O6*は200マイクロ秒から5ミリ秒の間になくなってしまうが、同じタイミングでO6と呼ばれる酸素原子(水色破線)が触媒に出現し、O6*がO6の位置に移動したことを示している。触媒中のO5とO6は酸素分子を形成するのにちょうどよい位置関係にあり、次のステップで酸素形成が行われることを示唆している。図中の緑色と赤色のメッシュは電子密度の変化(立体構造の変化)を表しており、緑色はプラス(新たに出現したもの)、赤色はマイナス(時間に伴い、元の状態から減ったもの)を意味している。
◆研究者からひとこと
本成果は光合成の反応を非常に速い時間でストロボ撮影し、これまでは見ることのできなかったタンパク質の高速の動きを捉えた画期的なものです。
研究開始から成果にするまでに5年もの月日がかかりました。高品質の光化学系IIの試料、X線自由電子レーザーの高度な技術、研究チームの強固な連携は、いずれも本研究に欠かせないものでした。共同研究者・研究室のメンバーに感謝しています。
菅教授
■論文情報
論 文 名:“Oxygen-evolving photosystem II structures during S1-S2-S3 transitions”
「酸素発生サイクルS1-S2-S3遷移での光化学系IIの構造」
掲 載 紙:Nature
著 者:Hongjie Li, Yoshiki Nakajima, Eriko Nango, Shigeki Owada, Daichi Yamada, Kana Hashimoto, Fangjia Luo, Rie Tanaka, Fusamichi Akita, Koji Kato, Jungmin Kang, Yasunori Saitoh, Shunpei Kishi, Huaxin Yu, Naoki Matsubara, Hajime Fujii, Michihiro Sugahara, Mamoru Suzuki, Tetsuya Masuda, Tetsunari Kimura, Tran Nguyen Thao, Shinichiro Yonekura, Long-Jiang Yu, Takehiko Tosha, Kensuke Tono, Yasumasa Joti, Takaki Hatsui, Makina Yabashi, Minoru Kubo, So Iwata, Hiroshi Isobe, Kizashi Yamaguchi, Michihiro Suga*, Jian-Ren Shen*
D O I:10.1038/s41586-023-06987-5
U R L:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06987-5
*責任著者:岡山大学異分野基礎科学研究所 菅倫寛教授、沈建仁教授
■研究資金
本研究は、日本学術振興会・科学研究補助金「特別推進研究」(課題番号:JP22H04916)、「新学術領域研究(研究領域提案型)」(課題番号:JP17H06434、JP19H05777、JP19H05784、JP20H05446、JP22H04754)、「基盤研究B」(課題番号:JP20H03226、JP23H02450)、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)(課題番号:JPMJPR18G8)、日本医療研究開発機構・創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム(課題番号:JP21am0101070)等の支援を受けて実施しました。
<詳しい研究内容について>
光合成を担う“ゆがんだイス”型の触媒が、水分子を取り込む瞬間をナノ秒レベルで捉えることに成功!～人工光合成の実現へ大きな一歩～
<研究に関するお問い合わせ>
岡山大学異分野基礎科学研究所
教授 菅 倫寛(すが みちひろ)
教授 沈 建仁(しん けんじん)
