Photosystem II 복합체의 정확한 3 차원 원자 골프 슬롯 이해-인공 광합성의 발달에 대한 단서

2014 년 11 월 27 일

<배경/업적>
광합성의 산소 생성 반응은 태양의 빛 에너지를 사용하여 생물이 이용할 수있는 화학 에너지로 변환하고 물을 분해하고 유기체가 생존하는 데 필요한 산소를 생성합니다.
이 반응은 조류와 식물 잎의 엽록체에 위치한 광 시스템 II 복합체라는 단백질 복합체에 의해 수행된다. 이 복합체는 19 개의 단백질로 구성된 거대하고 매우 복잡한 막 단백질 복합체입니다.
2011 년, Shen 교수와 다른 연구 그룹은 일본 온천에서 유래 한 시아 노 박테리아 종에서 추출한 고품질의 광 시스템 II 복합체를 만들었고 Spring-8[2]의 싱크로트론 X- 레이를 사용하여 1.9Å (1Å은 1/10 백만 밀리미터)의 매우 높은 해상도로 결과를 분석했습니다. 물 분해 반응을 담당하는 촉매 중심 골프 슬롯의 골프 슬롯를 불분명 한 결과는 2011 년 American Scientific Journal Science에 의해 2011 년 10 가지 주요 과학 발견 중 하나로 선정되었습니다. 그러나, X- 선 결정학 분석에 사용 된 X- 선 회절 사진을 촬영하는 데 몇 초 동안 X- 선 조사 동안, 물 분해 반응을 담당하는 촉매 중심 중 일부는 X- 선 방사선 손상을 당했으며, 이는 원래 골프 슬롯와 약간 다를 수있다.
이번에는 Sacla의 X-ray 프리 전자 레이저를 사용하여 Photosystem II의 원래 골프 슬롯를 분석했으며, 이는 X- 선으로 인한 방사선 손상의 영향을받지 않습니다. X- 선이없는 전자 레이저의 펄스 X- 레이는 하나의 맥박으로 X- 선 회절 사진을 찍을 수있을 정도로 매우 밝고, 한 펄스의 지속 시간은 100 조 초입니다 (10 개의 펨토초, 10 개의 펨토초는 10-15sec)에서 매우 짧기 때문에 X- 레이로 인한 방사선 손상으로 인해 분자의 골프 슬롯적 변화가 발생하기 전에 X- 선 회절 사진을 찍을 수 있습니다.
이 연구 그룹[3]"결합하여 세계 최고 품질의 Photosystem II Crystals를 만들기위한 기술을 통해 우리는 1.95Å 해상도에서 광 시스템 II 복합체의 원래 방사선이없는 구조를 성공적으로 분석 할 수있었습니다 (그림 2). 손상되지 않은 Mn4CAO5클러스터는 촉매의 원래 골프 슬롯를 반영하여 지금까지 Spring-8의 싱크로트론 방사선을 사용하여 얻은 골프 슬롯보다 약 0.1 내지 0.3Å의 원자 사이의 거리를 갖는다. 이 골프 슬롯는 물 용해 반응의 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다 (그림 3).

<예비 효과>
MN, Photosystem II의 촉매 중심 II4CAO5클러스터는 주변 아미노산의 조정 된 골프 슬롯적 변화로 인해 5 개의 주기적 중간 상태를 통해 매우 효율적인 물-고정 반응을 겪지 만 동적 메커니즘의 세부 사항은 알려져 있지 않습니다. 이 연구의 결과는 광 시스템 II의 반응주기의 첫 번째 상태에 대한 반응성을 유지하는 원래 MN4CAO5클러스터와 주변 구조를 보여 주어 태양 가시 광 에너지를 사용하여 인위적으로 실현 된 물-고정 반응을위한 촉매의 구조적 기초를 제공합니다. 인공 광합성이 실현되면이 반응을 모방하면 광 에너지를 고효율로 전기 및 화학 에너지로 전환 할 수 있습니다. "인공 광합성"에 대한이 꿈은 태양으로부터 깨끗하고 재생 가능하며 끝이없는 빛 에너지를 효율적으로 사용할 수 있으며, 우리가 직면 한 에너지, 환경 및 음식 문제의 해결책으로 이어질 것으로 예상됩니다.

이 연구는 교육, 문화, 스포츠, 과학 기술의 X-ray Free Electron Laser Key Strategic Research Project, Menistry 's Special Promotion Research Affiliated Research 및 Japan Science and Technology Agency Strategic Creative Research Promotion Project (CREST)의 지원으로 수행되었습니다.

<게시 된 종이 정보>
이론 이름 :
"Femtosecond X-ray 펄스에 의해 볼 수있는 1.95 해상도의 광 시스템 II의 기본 구조"
"Femtosecond X-Ray 레이저에 의한 1.95Å 해상도에서 광 시스템 II의 고유 구조"
게시 된 잡지 :자연
저자 : Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Kunio Hirata, Go Ueno, Hironori Murakami, Yoshiki Nakajima, Tetsuya Shimizu, Keitaro Yamashita, Masaki Yamamoto, Hideo Ago 및 Jian-Ren Shendoi : 10.1038/nature13991



<추가 노트>
1) SACLA는 단백질로 처음으로 방사선 손상없이 정확한 결정 골프 슬롯를 결정하는 데 성공했습니다
-world Crystal Year 2014, Laser X-ray가 다음 세기의 이정표를 열어
(보도 자료, 2014 년 5 월 8 일)
SACLA는 단백질로 방사선 손상없이 정확한 결정 크레이지 슬롯 머신를 결정하는 데 성공했습니다 - 세계 결정화 연도 2014, 레이저 X- 레이 (크레이지 슬롯 머신, 크레이지 슬롯 머신)가 개설 한 다음 세기의

<grossary>
[1] X-Ray Free Electron Laser (XFEL) 시설 SACLA
Riken Institute와 High-Brightness Light Science 센터가 공동으로 제작 한 일본의 X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) 시설. 이것은 2006 회계 연도에서 5 년간 계획에 걸쳐 건설 및 유지 보수에서 수행 된 국가 핵심 기술 중 하나입니다. 2011 년 3 월에 완료되었으며 Spring-8 Angstrom Compact Free-Electron 레이저의 이니셜 후 SACLA로 지명되었습니다. 최초의 X- 레이 레이저는 2011 년 6 월에 진동되었으며 2012 년 3 월에 공유 작업이 시작되었습니다.
[2] Spring-8
Riken Institute의 시설은 Hyogo 현 Harima Science Park시에 위치한 세계 최고의 싱크로트론 방사선을 생산합니다. Spring-8은 Super Photon Ring 8gev에서 나옵니다. 동기 조명은 전자가 전자기 또는 undulator를 편향시켜 전자가 빛과 거의 같은 속도로 가속 될 때 생성되는 강력한 전자기파입니다.
[3] 펨토초 X- 선 결정 골프 슬롯 분석 방법
SACLA에 의해 개발되고 입증 된 X- 선 결정 골프 슬롯 분석 방법, X- 선 유리 전자 레이저 및 큰 결정의 펄스 X- 선의 상승 효과는 방사선 손상의 영향없이 큰 단백질 복합체 결정에 대해서도 정확한 X- 선 결정 분석을 허용합니다 (Hirata, K. et al. (2014)자연방법 11, 734-736).

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<연락처>
신 켄진, 오케이마 아마 대학 자연 과학 대학원 교수
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Riken Research Institute, Synchroscopic Science Research Center, System Development and Research Division, Beamline
기본 연구 부서 생명 시스템 동기 경력 활용 시스템 개발 장치
풀 타임 연구원 전 Hideo
　(전화 번호) 0791-58-2839 (팩스 번호) 0791-58-2834