冈山大学
东北大学
理化学研究所
高辉度光科学研究中心
兵库县立大学
◆发表要点
- 光合作用中，被称为光化学系II的膜蛋白复合体利用光能，由水分子生成氧分子。
- 使用飞秒X射线自由电子激光，我们成功捕捉到光化学II的“扭曲椅子”型催化剂吸收水分子，到氧分子生成准备完成为止的一系列动作。
- 本研究成果不仅阐明了通过光合作用从水分子中取出氢离子和电子的机制，还为设计用光分解水的人工光合催化剂提供了重要的指导。
光合作用是从光化学系II利用光能从水分子中取出电子和氢离子，形成氧的反应开始的。冈山大学异领域基础科学研究所的沈建仁教授、菅伦宽教授分别与东北大学多元物质科学研究所的南后惠理子教授（理化学研究所放射光科学研究中心组长）、高亮度光科学研究中心的大和田成起主干研究员（理化学研究所放射光科学研究中心客座研究员）、与兵库县立大学研究生院理学研究科的久保稔教授等人共同，将可见光照射在光化学系II的结晶上开始反应后，使用X射线自由电子激光设施SACLA的飞秒X射线，光化学系II的“扭曲的椅子”型催化剂吸收水分子在纳米秒（1纳秒为10亿分之一秒）到毫秒的时间范围内成功捕捉到了在氧分子生成准备完成之前的一系列动作的立体结构。结果，在光化学系II内部，蛋白质、水分子、聚光色素等像管弦乐队一样有协奏性地发挥作用，使水的移动和氢离子的排出进行。通过这个工作运动性提高了的水分子，与催化剂过渡性地结合之后，被那个内部取入的情况第一次观测了。这些结果揭示了光合作用中氧分子形成的反应机制。特别是，作为氧气材料的水分子，什么时候，通过哪里到达催化剂呢。本研究成果将于英国时间1月31日下午4点（日本时间2月1日凌晨1点）刊登在英国科学杂志《Nartue
本研究中明确的形成氧分子的机制，有望为开发利用光能从水中取出电子和氢离子，产生有用化学物质的“人工光合作用”技术提供重要见解。
◆研究者寄语
本成果是用非常快的时间拍摄光合作用的反应，捕捉到了至今为止看不到的蛋白质的高速运动的划时代的东西。 从研究开始到取得成果花了5年的时间。高质量的光化学系II的样品，X射线自由电子激光的高级技术，研究小组的坚固的联合，都是本研究不可缺少的东西。感谢共同研究者和研究室的成员。 |  菅教授 |
■论文信息
论 文 名：“Oxygen-evolving photosystem II structures during S1-S2-S3 transitions”
“氧发生循环S1-S2-S3迁移时的光化学系II的结构”
刊登杂志：Nature
著 者：Hongjie Li, Yoshiki Nakajima, Eriko Nango, Shigeki Owada, Daichi Yamada, Kana Hashimoto, Fangjia Luo, Rie Tanaka, Fusamichi Akita, Koji Kato, Jungmin Kang, Yasunori Saitoh, Shunpei Kishi, Huaxin Yu, Naoki Matsubara, Hajime Fujii, Michihiro Sugahara, Mamoru Suzuki, Tetsuya Masuda, Tetsunari Kimura, Tran Nguyen Thao, Shinichiro Yonekura, Long-Jiang Yu, Takehiko Tosha, Kensuke Tono, Yasumasa Joti, Takaki Hatsui, Makina Yabashi, Minoru Kubo, So Iwata, Hiroshi Isobe, Kizashi Yamaguchi, Michihiro Suga*, Jian-Ren Shen*
D O I：10.1038/s41586-023-06987-5
U R L：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06987-5
*责任著者：冈山大学异领域基础科学研究所 菅伦宽教授、沈建仁教授
■研究资金
本研究包括：日本学术振兴会・科学研究补助金「特别推进研究」（课题编号：JP22H04916）、「新学术领域研究（研究领域提案型）」（课题编号：JP17H06434、JP19H05777、JP19H05784、JP20H05446、JP22H04754）、「基础研究B」（课题编号：JP20H03226、JP23H02450）、在科学技术振兴机构（JST）战略的创造研究推进事业个人型研究（课题编号：JPMJPR18G8）、日本医疗研究开发机构·创药等尖端技术支援基础平台（课题编号：JP21am0101070）等的支援下实施。
＜详细研究内容＞
负责光合作用的“扭曲椅子”型催化剂，成功捕捉到水分子吸收瞬间的纳秒水平！～实现人工光合作用的一大步～
＜研究相关咨询＞
冈山大学异领域基础科学研究所
教授 菅 伦宽
（电话）086-251-7877
教授 沈 建仁
（电话）086-251-8502