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光合成における水分解反応の機構の核心に迫る成果 光化学系Ⅱ複合体が酸素分子を発生する直前の立体構造を解明 ―人工光合成触媒開発の糸口に―

 岡山大学異分野基礎科学研究所の菅倫寛助教、秋田総理助教、沈建仁教授、理化学研究所放射光科学総合研究センターの菅原道泰特別研究員、久保稔専任研究員、京都大学大学院医学研究科の岩田想教授(同センター グループディレクター)らの共同研究グループは、X線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLAを用いて、光化学系Ⅱ複合体が光合成の水分解反応において酸素分子を発生させる直前の状態の立体構造を捉えることに成功し、酸素分子の生成部位を特定しました。本研究成果は、日本時間2月21日(火)(英国時間:20日午後4時)、英国の科学雑誌「Nature」に掲載されました。
 本研究成果は、光合成における水分解反応の機構の核心に迫る成果で、太陽光エネルギーを利用して水分解反応を人工的に行う「人工光合成」のための触媒創成に重要な基礎を提供するものです。人工光合成による太陽光エネルギーの高効率変換は、エネルギー問題、環境問題、食糧問題の解決に重要な貢献ができると期待されています。

図1. PSIIの全体構造。全20個のタンパク質からなる膜タンパク質複合体の二つが集合して一つの構造をとる。青色の球は水分子を表す。

図2. 今回SACLAのX線自由電子レーザーで解析した光化学系Ⅱ複合体(PSII)に含まれる水分解触媒の立体構造。“ゆがんだイス”のかたちをした触媒に水分子が取り込まれた瞬間を捉えている。水色の部分が今回明らかにされた酸素分子が発生する部分。

図3. 本研究の結果から考えられる水分解・酸素発生の反応機構。水分解反応はS1→S2→S3→(S4)→S0→S1の順に進み、図中はS1, S3とS4状態のみを示している。酸素分子はS3→(S4)→S0の状態変化の時に生成される。これまでは反応開始時のS1状態の構造のみが解析されていたが、今回は酸素分子が形成される直前のS3状態の構造が解析され、S1状態との構造の違いが明らかになった。また、図中の「プロトン経路」は、水分解反応に伴って放出される水素イオン(プロトン)の放出経路を示している。

<論文情報等>掲載誌: Nature 論文名:Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL 著者:Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Michihiro Sugahara, Minoru Kubo,Yoshiki Nakajima, Takanori Nakane, Keitaro Yamashita, Makoto Nakabayashi, Yasufumi Umena, Takahiro Yamane, Takamitsu Nakano, Mamoru Suzuki, Tetsuya Masuda, Shigeyuki Inoue, Tetsunari Kimura, Takashi Nomura, Shinichiro Yonekura, Long-Jiang Yu, Tomohiro Sakamoto, Taiki Motomura, Jing-Hua Chen, Yuki Kato, Takumi Noguchi, Kensuke Tono, Yasumasa Joti, Takashi Kameshima, Takaki Hatsui, Eriko Nango, Rie Tanaka, Hisashi Naitow , Yoshinori Matsuura, Ayumi Yamashita, Masaki Yamamoto, Osamu Nureki, Makina Yabashi, Tetsuya Ishikawa, So Iwata, and Jian-Ren ShenDOI:10.1038/nature21400

<詳しい研究内容について>
光合成における水分解反応の機構の核心に迫る成果 光化学系Ⅱ複合体が酸素分子を発生する直前の立体構造を解明 ―人工光合成触媒開発の糸口に―

この研究成果は新聞報道されました。

記事 : 山陽新聞 2017年2月21日朝刊28面
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<本件お問い合わせ>
岡山大学異分野基礎科学研究所
助教 菅 倫寛
(電話番号)086-251-8630
(FAX番号)086-251-8502

同上
教授 沈 建仁
(電話番号)086-251-8502
(FAX番号)086-251-8502