21/04/03
Elucidating Oxygen Evolution in Photosynthesis
A research group led by Associate Professor Michihiro Suga, Associate Professor Osamu Akita, and Professor Jianren Shen at the Institute for Interdisciplinary Research, Okayama University, and a researcher Hideo Gogo at RIKEN has determined the steric structure of the “warped chair” catalyst of photosystem II just before the formation of oxygen molecules. The results reveal the mechanism of the reaction that forms molecular oxygen in photosynthesis. The results of this research published as a Research Article in the American scientific journal Science. Photosynthesis is initiated by a reaction in which a protein called photosystem II uses light energy to extract electrons and hydrogen ions from water molecules to form oxygen molecules. The three-dimensional structure of the catalytic part where the reaction occurs and the site of oxygen formation had been cleared in previous report, but the mechanism of oxygen molecule formation was not well understood. The research group used SR X-ray to a crystal of photosystem II with a beam of the X-ray free electron laser (XFEL) facility SACLA, and analyzed its three-dimensional structure with high resolution.As a result, two oxygen atoms considered necessary for the formation of oxygen molecules were found in the catalyst, and the chemical properties of these two oxygen atoms were clarified by considering the results of quantum chemical calculations.
The mechanism of oxygen molecule formation revealed in this study is expected to provide important insights for the development of artificial photosynthesis technology, which uses light energy to extract electrons and hydrogen ions from water to produce useful chemicals.
Title : “An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an X-ray free electron laser”
Journal ：Science
Authors：Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Keitaro Yamashita, Yoshiki Nakajima, Go Ueno, Hongjie Li, Takahiro Yamane, Kunio Hirata, Yasufumi Umena, Shinichiro Yonekura, Long-Jiang Yu, Hironori Murakami, Takashi Nomura, Tetsunari Kimura, Minoru Kubo, Seiki Baba,
Takashi Kumasaka, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Hiroshi Isobe, Kizashi Yamaguchi,
Masaki Yamamoto, Hideo Ago, and Jian-Ren Shen
DOI：10.1126/science.aax6998
19/10/18
光合成の酸素発生を解明
岡山大学異分野基礎科学研究所の菅倫寛准教授、秋田総理准教授、沈建仁教授、理化学研究所の吾郷日出夫専任研究員らの共同研究グループは光化学系IIの“ゆがんだイス”の形をした触媒が酸素分子を形成する直前の状態の立体構造を決定しました。この結果から、光合成において酸素分子が形成される反応の仕組みが明らかになりました。本研究成果は、米国東部時間10月17日午後2時（日本時間10月18日午前3時）米国科学誌「Science」のResearch Articleとして掲載されます。
光合成は光エネルギーを利用して、光化学系IIと呼ばれるタンパク質が水分子から電子と水素イオンを取り出し、酸素分子を形成する反応によって始まります。これまでの研究で、反応が起こる触媒部分の立体構造や酸素形成の部位が明らかになっていましたが、酸素分子が形成される仕組みはよく分かっていませんでした。
研究グループは、光化学系IIの結晶にX線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLAの発振する量子ビームを照射し、立体構造を高い解像度で解析しました。その結果、酸素分子の形成に必要と考えられる2つの酸素原子を触媒中に発見し、量子化学計算の結果と考え合わせることによって、これら2つの酸素原子の化学的な性質を明らかにしました。さらに反応に必要な水分子を取り込むための経路や反応で生じた水素イオンを排出するための経路を見いだしました。
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。
論 文 名：“An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an X-ray free electron laser”
「X線自由電子レーザーで明らかにしたPSIIのO-O形成におけるoxyl/oxo機構」
掲載紙：Science
著 者：Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Keitaro Yamashita, Yoshiki Nakajima, Go Ueno, Hongjie Li, Takahiro Yamane, Kunio Hirata, Yasufumi Umena, Shinichiro Yonekura, Long-Jiang Yu, Hironori Murakami, Takashi Nomura, Tetsunari Kimura, Minoru Kubo, Seiki Baba,
Takashi Kumasaka, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Hiroshi Isobe, Kizashi Yamaguchi,
Masaki Yamamoto, Hideo Ago, and Jian-Ren Shen
DOI：10.1126/science.aax6998
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