【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.16】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24MS1016
利用課題名 / Title
多周波EPR法による光合成タンパク質の構造及び機能の解析
利用した実施機関 / Support Institute
自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）その他/Others（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
光化学系Ⅱ, 光合成, マンガンクラスター, EPR, ESEEM
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
三野 広幸
所属名 / Affiliation
東海国立大学機構名古屋大学大学院理学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
小崎慎也,中村直彦
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
藤原 基靖
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
MS-214：電子スピン共鳴（E680）
MS-215：電子スピン共鳴（EMX）
MS-216：電子スピン共鳴（E500）
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
マンガンクラスターで行われる光合成酸素発生は４光子、5つの中間状態(S0 からS4)の絡む反応である。結晶構造解析の発展によりマンガンクラスターの分子構造は明らかになりつつあるが、水を基質とする反応であるためプロトンの所在が機能解明には必須であり、理論計算などがすすめられているものの明らかにはなっていない。そのため、機能解明のためには磁気構造解明が有力な手段となっている。また、高酸化状態での構造は状態の混入があるため、解釈が困難なものとなっている。2024年度は、（１）最も安定であり構造が確かなものと解釈されるS1状態をパルスESR法で解析した。 （２）また、マンガンクラスターの高酸化状態には異性体が存在する。我々はX-bandのCW EPRによってS = 7/2をもつ S2中間体が存在することを発見している。この状態はS2-S3遷移における基質水分子とりこみのための中間的な分子構造との見通しをたてている 。2024年度はS = 7/2中間状態の熱力学的安定性を解析し、理論計算との比較を行っている。あわせてQ-bandパルスEPR信号の解析も行った。量子化学計算との比較からこの状態の分子構造をアサインしている。これらの２つの結果は現在投稿準備中である。
実験 / Experimental
植物由来の光化学系Ⅱタンパク質複合体はホウレンソウより申請者らが処理した。また、シアノバクテリア由来の光化学系タンパク質複合体は岡山大学の沈教授グループにより抽出されたものを処理した。測定は分子科学研究所のBrukerE500およびBrukerE680, Bruker EMXを用いて極低温から室温にかけて測定を行った
結果と考察 / Results and Discussion
（１）S１状態に対してパルスEPRの手法の一つであるhole burning法を適用し解析を行った。その結果、S1状態でのマンガンクラスターの価数とスピン分布をえることができた。この結果を量子化学計算の結果と照らし合わせて解析をおこなっている。最も分子構造が確かなものとされていながら、電子構造が未知であったＳ１状態の新たな知見となる。 （２）2023年度までにS=5/2高スピン状態というS2状態についての解析を行っている。実はこの状態は中間体としての議論がなされていた状態である。2024年度はS=7/2状態に対してS=5/2と同様な解析を行うことにより、この状態の磁気構造、およびそこから考察される分子構造までの解析を行っている。両者は混同して議論されてきたが、今回の結果はS=7/2をS2-S3遷移の中間体としての構造と支持するものである。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Shinya Kosaki, Yoshiki Nakajima, Jian-Ren Shen, Hiroyuki Mino. “Insights into the Structure of the S2 High Spin State of the Mn Cluster in Photosystem II by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy”, Spin Chemistry Meeting 2024, Kobe,15-19th, September 2024.
- Tadahiko Nakamura, Shinya Kosaki, Hiroyuki Mino. “Coordination environment of manganese affinity sites in photosystem 2 measured by 14N HYSCORE”, Spin Chemistry Meeting 2024, Kobe,15-19th, September 2024.
- Shinya Kosaki, Yoshiki Nakajima, Jian-Ren Shen, Hiroyuki Mino. “Magnetic structural analysis of S2 high-spin states manganese cluster in photosystem II by multi-frequency electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy”, 2nd Asia-Oceania International Congress on Photosynthesis (AOICP), Kobe,18-21th September 2024.
- Shinya Kosaki, Yoshiki Nakajima, Jian-Ren Shen, Hiroyuki Mino. “Structure of S2 High-Spin State Manganese Cluster of Photosystem II by Multi-frequency Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy”, 21st IUPAB (International Union of Pure and Applied Biophysics), 25P-175, Kyoto,24-28th, June 2024.
- 小﨑慎也,, 中島 芳樹, 沈 建仁, 三野 広幸.“多周波EPR法を用いた光化学系IIのMnクラスターにおけるS2 高スピン状態の平衡および構造解析”, 第63回電子スピンサイエンス学会年会, 福井大学, 2024年11月2-4日.
- 小﨑慎也, 三野広幸,Q-band パルス電子常磁性共鳴(EPR)法による 光化学系Ⅱ マンガンクラスターのS2 High Spin状態の構造 ,量子生命科学会 第６回年会 , 早稲田大学, 2024年5月30-31日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件