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。

这项研究的目的是阐明光合作用中光诱导的水分解反应的机制以及使用高效率的机制。在对光诱导的水解反应的机械分析中，收集数据并分析了通过在NSEC-MSEC时间范围内辐射一两个光系统II（PSII）微晶体获得的S2中间状态的S2中间状态，使用时间分级泵浦泵浦Probobe sermial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial Serial X-Ray Crystal Crystal结构（SF）。结果，在新的氧原子（O6）插入S3状态之前和周围发生了各种结构变化，并发现出现了新的氧原子（O6*），尤其是在D1-GLU189附近出现，这是O6的前代。这些发现对于阐明由PSII引起的水解和氧反应的机理具有重要意义。为了验证这些实验结果，在Tsukuba大学计算科学研究中心建立了专门的计算机系统，用于进行高精度量子化学计算，首先，我们研究了S1 State，一个大型模型和旋转状态。此外，我们从理论上研究了氢键网络，该网络有助于底物水的插入途径和乘积质子的流出途径。为了鉴定质子外排途径，创建了D1蛋白的氨基酸取代，并分析了它们对水裂解反应活性的影响。为了阐明使用高效率的机制，我们分析了来自灰色藻类cyanophora paradoxa的光系统I（PSI）四聚体，原始​​的cyobacter gloeobacter virace的PSI修剪器结构，以及使用Diotom distrived psii-fcpii的高分辨率结构。此外，为在光收集天线中的激发能传递效率构建了理论模型，并研究了动力学。

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