2025/04/04 更新

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シン ケンジン
沈 建仁
SHEN Jian-Ren
所属
学術研究院先鋭研究領域(異分野基礎) 教授
職名
教授
外部リンク

学位

  • 理学博士 ( 東京大学 )

研究キーワード

  • 結晶構造解析

  • 光化学系II

  • 構造生物学

  • 膜蛋白質

  • 光合成

  • Crystal structure analysis

  • Photosystem II

  • Membrane proteins

  • Photosynthesis

研究分野

  • ライフサイエンス / 生物物理学

  • ライフサイエンス / 植物分子、生理科学

  • ライフサイエンス / 構造生物化学

学歴

  • 東京大学   Graduate School, Division of Natural Science   Department of Pure and Applied Sciences

    - 1990年

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  • 東京大学    

    - 1990年

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    国名: 日本国

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  • 中国浙江農業大学   農学部   環境保護専攻

    - 1982年

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    国名: 中華人民共和国

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  • Zhejiang Agriculture University, China   Faculty of Agriculture   Department of Environmental Science,

    - 1982年

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経歴

  • 岡山大学   異分野基礎科学研究所   所長

    2022年4月 - 現在

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  • 岡山大学   The Research Institute for Interdisciplinary Science

    2016年 - 現在

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  • 岡山大学自然科学研究科光合成研究センター センター長

    2013年 - 2016年

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  • - PRESTO Advisor,Japan Science and Technology Agency

    2011年

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  • - 科学技術振興機構 さきがけ研究 領域アドバイザー

    2011年

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所属学協会

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委員歴

  • Photosynthesis Research   Editorial Board Member  

    2021年5月 - 現在   

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  • 日本光合成学会   常任幹事  

    2020年1月 - 現在   

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  • 日本量子生命科学会   運営委員会  

    2019年7月 - 現在   

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    団体区分:学協会

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  • カーボン・エネルギーコントロール社会協議会   共同代表  

    2017年7月 - 現在   

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  • International Society of Photosynthesis Research   Geographical Area Representative  

    2016年1月 - 現在   

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論文

  • Aggregation-Induced Excitation-Energy Quenching in Fucoxanthin Chlorophyll a/c-Binding Proteins from the Diatom Phaeodactylum tricornutum

    Yoshifumi Ueno, Ou-Yang Li, Jian-Ren Shen, Tatsuya Tomo, Seiji Akimoto, Ryo Nagao

    The Journal of Physical Chemistry B   2025年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Chemical Society (ACS)  

    DOI: 10.1021/acs.jpcb.4c06894

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  • Structural study of the chlorophyll between Lhca8 and PsaJ in an Antarctica green algal photosystem I-LHCI supercomplex revealed by its atomic structure

    Pi-Cheng Tsai, Koji Kato, Jian-Ren Shen, Fusamichi Akita

    Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics   149543 - 149543   2025年2月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    DOI: 10.1016/j.bbabio.2025.149543

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  • Biochemical evidence for the diversity of LHCI proteins in PSI-LHCI from the red alga Galdieria sulphuraria NIES-3638. 国際誌

    Ryo Nagao, Haruya Ogawa, Takehiro Suzuki, Naoshi Dohmae, Koji Kato, Yoshiki Nakajima, Jian-Ren Shen

    Photosynthesis research   163 ( 1 )   14 - 14   2025年1月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Red algae are photosynthetic eukaryotes whose light-harvesting complexes (LHCs) associate with photosystem I (PSI). In this study, we examined characteristics of PSI-LHCI, PSI, and LHCI isolated from the red alga Galdieria sulphuraria NIES-3638. The PSI-LHCI supercomplexes were purified using anion-exchange chromatography followed by hydrophobic-interaction chromatography, and finally by trehalose density gradient centrifugation. PSI and LHCI were similarly prepared following the dissociation of PSI-LHCI with Anzergent 3-16. Polypeptide analysis of PSI-LHCI revealed the presence of PSI and LHC proteins, along with red-lineage chlorophyll a/b-binding-like protein (RedCAP), which is distinct from LHC proteins within the LHC protein superfamily. RedCAP, rather than LHC proteins, exhibited tight binding to PSI. Carotenoid analysis of LHCI identified zeaxanthin, β-cryptoxanthin, and β-carotene, with zeaxanthin particularly enriched, which is consistent with other red algal LHCIs. A Qy peak of chlorophyll a in the LHCI absorption spectrum was blue-shifted compared with those of PSI-LHCI and PSI, and a fluorescence emission peak was similarly shifted to shorter wavelengths. Based on these results, we discuss the diversity of LHC proteins and RedCAP in red algal PSI-LHCI supercomplexes.

    DOI: 10.1007/s11120-024-01134-1

    PubMed

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  • Conformational Flexibility of D1-Glu189: A Crucial Determinant in Substrate Water Selection, Positioning, and Stabilization within the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II

    Hiroshi Isobe, Takayoshi Suzuki, Michihiro Suga, Jian-Ren Shen, Kizashi Yamaguchi

    ACS OMEGA   9 ( 50 )   50041 - 50048   2024年12月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AMER CHEMICAL SOC  

    Photosynthetic water oxidation is a vital process responsible for producing dioxygen and supplying the energy necessary to sustain life on Earth. This fundamental reaction is catalyzed by the oxygen-evolving complex (OEC) of photosystem II, which houses the Mn4CaO5 cluster as its catalytic core. In this study, we specifically focus on the D1-Glu189 amino acid residue, which serves as a direct ligand to the Mn4CaO5 cluster. Our primary goal is to explore, using density functional theory (DFT), how the conformational flexibility of the D1-Glu189 side chain influences crucial catalytic processes, particularly the selection, positioning, and stabilization of a substrate water molecule within the OEC. Our investigation is based on a hypothesis put forth by Li et al. (Nature, 2024, 626, 670), which suggests that during the transition from the S2 to S3 state, a specific water molecule temporarily coordinating with the Ca ion, referred to as O6*, may exist as a hydroxide ion (OH-). Our results demonstrate a key mechanism by which the detachment of the D1-Glu189 carboxylate group from its coordination with the Ca ion allows the creation of a specialized microenvironment within the OEC that enables the selective attraction of O6* in its deprotonated form (OH-) and stabilizes it at the catalytic metal (MnD) site. Our findings indicate that D1-Glu189 is not only a structural ligand for the Ca ion but may also play an active and dynamic role in the catalytic process, positioning O6* optimally for its subsequent participation in the oxidation sequence during the water-splitting cycle.

    DOI: 10.1021/acsomega.4c09981

    Web of Science

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  • Structural basis for molecular assembly of fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins in a diatom photosystem I supercomplex

    Koji Kato, Yoshiki Nakajima, Jian Xing, Minoru Kumazawa, Haruya Ogawa, Jian-Ren Shen, Kentaro Ifuku, Ryo Nagao

    eLife   13   2024年10月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:eLife Sciences Publications, Ltd  

    Photosynthetic organisms exhibit remarkable diversity in their light-harvesting complexes (LHCs). LHCs are associated with photosystem I (PSI), forming a PSI-LHCI supercomplex. The number of LHCI subunits, along with their protein sequences and pigment compositions, has been found to differ greatly among the PSI-LHCI structures. However, the mechanisms by which LHCIs recognize their specific binding sites within the PSI core remain unclear. In this study, we determined the cryo-electron microscopy structure of a PSI supercomplex incorporating fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins (FCPs), designated as PSI-FCPI, isolated from the diatom Thalassiosira pseudonana CCMP1335. Structural analysis of PSI-FCPI revealed five FCPI subunits associated with a PSI monomer; these subunits were identified as RedCAP, Lhcr3, Lhcq10, Lhcf10, and Lhcq8. Through structural and sequence analyses, we identified specific protein–protein interactions at the interfaces between FCPI and PSI subunits, as well as among FCPI subunits themselves. Comparative structural analyses of PSI-FCPI supercomplexes, combined with phylogenetic analysis of FCPs from T. pseudonana and the diatom Chaetoceros gracilis, underscore the evolutionary conservation of protein motifs crucial for the selective binding of individual FCPI subunits. These findings provide significant insights into the molecular mechanisms underlying the assembly and selective binding of FCPIs in diatoms.

    DOI: 10.7554/elife.99858.3

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    その他リンク: https://cdn.elifesciences.org/articles/99858/elife-99858-v1.xml

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書籍等出版物

  • 光合成

    日本光合成学会編( 担当: 共著 ,  範囲: 沈 建仁 : 構造解析の新展開, pp. 179-186)

    朝倉書店  2021年11月 

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  • Photosynthesis: Molecular Approaches to Solar Energy Conversion, Advances in Photosynthesis and Respiration, Vol. 47

    ( 担当: 共編者(共編著者))

    Springer, Switzerland  2021年10月 

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  • Photosynthesis: Molecular Approaches to Solar Energy Conversion, Advances in Photosynthesis and Respiration, Vol. 47

    ( 担当: 共著 ,  範囲: Wenda Wang, Jian-Ren Shen, Structure, Organization and Function of Light-harvesting Complexes Associated with Photosystem II. pp. 163-194)

    Springer, Switzerland  2021年10月 

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  • Encyclopedia of Biological Chemistry, 3rd Edition

    ( 担当: 共著 ,  範囲: Jian-Ren Shen: Photosystem II: Protein Components, Structure and Electron Transfer. vol. 2, pp. 215–228)

    Oxford, Elsevier  2021年2月 

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  • CSJカレントレビュー38 光エネルギー変換における分子触媒の新展開

    日本化学会編( 担当: 分担執筆 ,  範囲: 菅 倫寛、沈 建仁: 光合成光化学系IIの構造と触媒機能, pp 26-31)

    化学同人  2020年5月 

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MISC

  • Geometric, electronic and spin structures of the CaMn4O5 catalyst for water oxidation in oxygen-evolving photosystem II. Interplay between experiments and theoretical computations

    Kizashi Yamaguchi, Mitsuo Shoji, Hiroshi Isobe, Takashi Kawakami, Koichi Miyagawa, Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen

    COORDINATION CHEMISTRY REVIEWS   471   2022年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:書評論文,書評,文献紹介等   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE SA  

    The aim of this review is to elucidate geometric structures of the catalytic CaMn4Ox (x = 5, 6) cluster in the Kok cycle for water oxidation in the oxygen evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII) based on the high-resolution (HR) X-ray diffraction (XRD) and serial femtosecond crystallography (SFX) experiments using the X-ray free-electron laser (XFEL). Quantum mechanics (QM) and QM/molecular mechanics (MM) computations are performed to elucidate the electronic and spin structures of the CaMn4Ox (x = 5, 6) cluster in five states S-i (i = 0 similar to 4) on the basis of the X-ray spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and related experiments. Interplay between the experiments and theoretical computations has been effective to elucidate the coordination structures of the CaMn4Ox (x = 5, 6) cluster ligated by amino acid residues of the protein matrix of PSII, valence states of the four Mn ions and total spin states by their exchange-couplings, and proton-shifted isomers of the CaMn4Ox (x = 5, 6) cluster. The HR XRD and SFX XFEL experiments have also elucidated the biomolecular systems structure of OEC of PSII and the hydrogen bonding networks consisting of water molecules, chloride anions, etc., for water inlet and proton release pathways in PSII. Large-scale QM/MM computations have been performed for elucidation of the hydrogen bonding distances and angles by adding invisible hydrogen atoms to the HR XRD structure. Full geometry optimizations by the QM and QM/MM methods have been effective for elucidation of the molecular systems structure around the CaMn4Ox (x = 5, 6) cluster in OEC. DLPNO-CCSD(T-0) method has been applied to elucidate relative energies of possible intermediates in each state of the Kok cycle for water oxidation. Implications of these results are discussed in relation to the blueprint for developments of artificial catalysts for water oxidation. (C) 2022 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214742

    Web of Science

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  • イネ由来ケイ酸チャネルによるケイ酸透過機構の構造基盤

    齊藤恭紀, 三谷(上野)奈見季, 斉藤圭亮, 斉藤圭亮, 松木謙悟, HUANG Sheng, YANG Lingli, 山地直樹, 石北央, 石北央, SHEN Jian-Ren, SHEN Jian-Ren, MA Jian Feng, 菅倫寛, 菅倫寛, 菅倫寛

    日本分子生物学会年会プログラム・要旨集(Web)   44th   2021年

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  • クライオ電子顕微鏡単粒子解析による光合成超分子複合体の構造解析 査読

    宮崎直幸, 長尾遼, 加藤公児, 沈 建仁, 秋田総理

    光合成研究   28   112 - 118   2018年

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    記述言語:日本語  

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  • The crystal structure of Deg9 reveals a novel octameric-type HtrA protease. 国際誌

    Min Ouyang, Xiaoyi Li, Shun Zhao, Hua Pu, Jianren Shen, Zach Adam, Tim Clausen, Lixin Zhang

    Nature plants   3 ( 12 )   973 - 982   2017年12月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP  

    The high temperature requirement A (HtrA) proteases (also termed Deg proteases) play important roles in diverse organisms by regulating protein quality and quantity. One of the 16 Arabidopsis homologs, Deg9, is located in the nucleus where it modulates cytokinin- and light-mediated signalling via degrading the ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 4 (ARR4). To uncover the structural features underlying the proteolytic activity of Deg9, we determined its crystal structure. Unlike the well-established trimeric building block of HtrAs, Deg9 displays a novel octameric structure consisting of two tetrameric rings that have distinct conformations. Based on the structural architecture, we generated several mutant variants of Deg9, determined their structure and tested their proteolytic activity towards ARR4. The results of the structural and biochemical analyses allowed us to propose a model for a novel mechanism of substrate recognition and activity regulation of Deg9. In this model, protease activation of one tetramer is mediated by en-bloc reorientation of the protease domains to open an entrance for the substrate in the opposite (inactive) tetramer. This study provides the structural basis for understanding how the levels of nuclear signal components are regulated by a plant protease.

    DOI: 10.1038/s41477-017-0060-2

    Web of Science

    PubMed

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  • Molecular mechanism of photosynthetic water-splitting reaction

    262   400 - 406   2017年

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講演・口頭発表等

  • Mechanism of photosynthetic water-oxidation studied by pump-probe time-revolved crystallography with X-ray free electron lasers 招待

    沈 建仁

    Pacifichem 2021  2021年12月18日 

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    開催年月日: 2021年12月16日 - 2021年12月21日

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • 光誘導水分解反応の機構とそのシミュレーションへの期待 招待

    沈 建仁

    第35回分子シミュレーション討論会  2021年12月1日 

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    開催年月日: 2021年11月29日 - 2021年12月1日

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Mechanism of natural photosynthetic water oxidation and its implications on artificial photosynthesis 招待

    沈 建仁

    11st Asian Photochemistry Conference (APC 2021)  2021年11月2日 

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    開催年月日: 2021年11月1日 - 2021年11月4日

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(基調)  

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  • Mechanism of photosynthetic water oxidation and implications in artificial photosynthesis 招待

    沈 建仁

    Chemical Science Symposium 2021: Biohybrid Approaches to Sustainable Energy Conversion. Royal Society of Chemistry  2021年9月14日 

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    開催年月日: 2021年9月13日 - 2021年9月15日

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • 天然光合成における水分解・酸素発生反応機構 招待

    沈 建仁

    日本化学会第 101 春季年会シンポジウム「革新的触媒の創製:光や電場などを用いた触媒反応」  2021年3月21日 

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    開催年月日: 2021年3月19日 - 2021年3月22日

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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受賞

  • 第64回(令和5年度)東レ科学技術賞

    2024年3月   東レ科学振興会   光合成における水分解反応及び光エネルギーの高効率利用機構

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  • 岡山大学 金光功労賞

    2022年11月   岡山大学  

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  • 高被引用論文著者

    2021年11月   Clarivate Analytics社  

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  • 学会賞

    2021年3月   日本植物生理学会   光合成における水分解反応機構の解明

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  • 紫綬褒章

    2020年11月   生化学・植物生理学研究功績

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共同研究・競争的資金等の研究

  • 光合成における光誘導水分解反応機構及び光エネルギー利用機構の解明

    研究課題/領域番号:22H04916  2022年04月 - 2027年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  特別推進研究

    沈 建仁, 庄司 光男, 秋田 総理, 菅 倫寛, 山口 兆

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    配分額:627640000円 ( 直接経費:482800000円 、 間接経費:144840000円 )

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  • 光化学系II水分解能機構の解明

    研究課題/領域番号:22H00410  2022年04月 - 2025年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    沈 建仁

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    配分額:42900000円 ( 直接経費:33000000円 、 間接経費:9900000円 )

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  • 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製(総括班)

    研究課題/領域番号:22H04905  2022年04月 - 2023年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    沈 建仁, 民秋 均

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    配分額:3900000円 ( 直接経費:3000000円 、 間接経費:900000円 )

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  • 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製(総括班)

    研究課題/領域番号:17H06433  2017年06月 - 2022年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    沈 建仁, 民秋 均, 野澤 俊介, 橋本 秀樹, 工藤 昭彦, 野口 巧, 阿部 竜

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    配分額:198250000円 ( 直接経費:152500000円 、 間接経費:45750000円 )

    本研究領域は、天然光合成の機構解明と人工光合成系の開発を目指した異分野融合研究で、物理、化学、生物等の研究者が結集して行われたものである。本総括班は、その研究計画・方針の策定、毎年度に行われる領域会議や公開シンポジウムの組織・実行、総括班による領域内異分野融合研究のサポート、領域外研究者との交流(招へい、領域内研究者の領域外(国内外)への派遣)、若手研究者への研究サポート・育成、領域研究成果の普及やニュースレターの定期的発行、等の活動を行ってきた。その結果、本領域の研究を順調に推進させることができ、天然光合成と人工光合成、さらに両者を繋ぐ先端計測分野で多大な成果を輩出した。

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  • 高分解能・時間分解構造解析による水分解反応の機構解明

    研究課題/領域番号:17H06434  2017年06月 - 2022年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  新学術領域研究(研究領域提案型)

    沈 建仁, 神谷 信夫, 山口 兆

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    配分額:310960000円 ( 直接経費:239200000円 、 間接経費:71760000円 )

    X線自由電子レーザー(XFEL)を用いて、1閃光照射によりS2状態が作り出されるまでのMn4CaO5クラスター及びその周辺の構造変化を、ポンプ-プローブ法によりナノ秒からミリ秒までの時間帯で時間分割構造変化のデータを測定し、得られた構造をS3状態が作りだされるまでの時間変化と比較した。その結果、1閃光照射により誘導される、電子伝達や水素結合ネットワークでの構造変化を検出することができ、S3状態までの時間分割構造変化と異なる点を見出した。同様の手法を用いて3閃光照射によりS3→(S4)→S0の遷移に伴う構造変化も測定したが、明らかな変化は見られず、結晶中でS状態の遷移がS3まで限定されることが示唆された。また、pHを5-8の範囲で変化させた結晶のX線構造解析を完了させ、pHに依存したMn4CaO5クラスターの構造変化が非対称単位中の2個のモノマーで互いに異なることを見出した。
    理論計算の研究では、CaMn4XYZ(H2O)3 (X=O(5), Y=W2, Z=O(4))クラスターのS0状態で可能な中間体にDFT法とDLPNO-CCSD(T)法を適用し、DFT法では(3433)の原子価をもったS0bbb (X = Y = Z = OH-)の安定性が判明した。一方、CC 法では(3433)の原子価をもつ二重項S0bbbの構造と(3442)の原子価をもつS0acb (X = O2-, Y = H2O, Z = OH-) の構造の2構造がエネルギー的に近似縮退しうることが判明した。
    上記の研究と並行して、シアノバクテリア由来光化学系I(PSI)四量体やクロロフィルfを有するシアノバクテリアのPSI、珪藻由来PSI-光捕集アンテナFCPIの超分子複合体、緑色硫黄細菌由来反応中心複合体、等の構造を、クライオ電子顕微鏡法を用いて解明した。

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担当授業科目

  • 構造生物学特別演習 (2024年度) その他  - その他

  • 構造生物学特別演習 (2024年度) 通年  - その他

  • 構造生物学特論 (2024年度) 前期  - その他

  • 生体高分子構造学 (2024年度) 後期  - 火3~4

  • 生化学I (2024年度) 1・2学期  - 月3~4

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メディア報道

  • テクノロジストの時代 人工光合成 植物にヒント 岡山大学教授 沈 建仁氏 新聞・雑誌

    日経新聞  朝刊 12面  2021年5月

     詳細を見る

    執筆者:本人以外 

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