2024/02/03 更新

写真a

スガ ミチヒロ
菅 倫寛
SUGA Michi
所属
異分野基礎科学研究所 教授
職名
教授
外部リンク

学位

  • 博士(理学) ( 大阪大学 )

研究分野

  • ライフサイエンス / 構造生物化学

学歴

  • 大阪大学理学研究科    

    2006年 - 2009年

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経歴

  • 岡山大学   異分野基礎科学研究所   教授

    2022年4月 - 現在

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  • JST さきがけ研究者(兼任)

    2018年10月 - 2022年3月

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所属学協会

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委員歴

  • 岡山大学国際構造生物学研究センター 副センター長  

    2023年4月 - 現在   

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  • SPRUC 放射光構造生物学研究会   幹事  

    2022年5月 - 現在   

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    団体区分:その他

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  • 日本光合成学会   幹事  

    2022年5月 - 現在   

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  • 岡山大学   自然生命科学研究支援センター 光放射線情報解析部門 津島施設長  

    2022年4月 - 現在   

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  • 岡山大学   放射線同位元素等安全管理委員会委員  

    2022年4月 - 現在   

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  • 岡山大学柔道部 部長  

    2022年4月 - 現在   

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  • 量子生命科学会   2022年会プログラム委員  

    2021年12月 - 2022年12月   

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    団体区分:学協会

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論文

  • Structural basis for high selectivity of a rice silicon channel Lsi1 査読

    Yasunori Saitoh, Namiki Mitani-Ueno, Keisuke Saito, Kengo Matsuki, Sheng Huang, Lingli Yang, Naoki Yamaji, Hiroshi Ishikita, Jian-Ren Shen, Jian Feng Ma, Michihiro Suga

    Nature Communications   12 ( 1 )   2021年10月

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    担当区分:最終著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    <title>Abstract</title>Silicon (Si), the most abundant mineral element in the earth’s crust, is taken up by plant roots in the form of silicic acid through Low silicon rice 1 (Lsi1). Lsi1 belongs to the Nodulin 26-like intrinsic protein subfamily in aquaporin and shows high selectivity for silicic acid. To uncover the structural basis for this high selectivity, here we show the crystal structure of the rice Lsi1 at a resolution of 1.8 Å. The structure reveals transmembrane helical orientations different from other aquaporins, characterized by a unique, widely opened, and hydrophilic selectivity filter (SF) composed of five residues. Our structural, functional, and theoretical investigations provide a solid structural basis for the Si uptake mechanism in plants, which will contribute to secure and sustainable rice production by manipulating Lsi1 selectivity for different metalloids.

    DOI: 10.1038/s41467-021-26535-x

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    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-021-26535-x

  • An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser. 査読

    Suga M, Akita F, Yamashita K, Nakajima Y, Ueno G, Li H, Yamane T, Hirata K, Umena Y, Yonekura S, Yu LJ, Murakami H, Nomura T, Kimura T, Kubo M, Baba S, Kumasaka T, Tono K, Yabashi M, Isobe H, Yamaguchi K, Yamamoto M, Ago H, Shen JR

    Science (New York, N.Y.)   366 ( 6463 )   334 - 338   2019年10月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1126/science.aax6998

    Web of Science

    PubMed

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  • Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL 査読

    Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Michihiro Sugahara, Minoru Kubo, Yoshiki Nakajima, Takanori Nakane, Keitaro Yamashita, Yasufumi Umena, Makoto Nakabayashi, Takahiro Yamane, Takamitsu Nakano, Mamoru Suzuki, Tetsuya Masuda, Shigeyuki Inoue, Tetsunari Kimura, Takashi Nomura, Shinichiro Yonekura, Long-Jiang Yu, Tomohiro Sakamoto, Taiki Motomura, Jing-Hua Chen, Yuki Kato, Takumi Noguchi, Kensuke Tono, Yasumasa Joti, Takashi Kameshima, Takaki Hatsui, Eriko Nango, Rie Tanaka, Hisashi Naitow, Yoshinori Matsuura, Ayumi Yamashita, Masaki Yamamoto, Osamu Nureki, Makina Yabashi, Tetsuya Ishikawa, So Iwata, Jian-Ren Shen

    NATURE   543 ( 7643 )   131 - +   2017年3月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP  

    Photosystem II (PSII) is a huge membrane-protein complex consisting of 20 different subunits with a total molecular mass of 350 kDa for a monomer. It catalyses light-driven water oxidation at its catalytic centre, the oxygen-evolving complex (OEC)(1-3). The structure of PSII has been analysed at 1.9 angstrom resolution by synchrotron radiation X-rays, which revealed that the OEC is a Mn4CaO5 cluster organized in an asymmetric, `distorted-chair' form(4). This structure was further analysed with femtosecond X-ray free electron lasers (XFEL), providing the `radiation damage-free'(5) structure. The mechanism of O=O bond formation, however, remains obscure owing to the lack of intermediate-state structures. Here we describe the structural changes in PSII induced by two-flash illumination at room temperature at a resolution of 2.35 angstrom using time-resolved serial femtosecond crystallography with an XFEL provided by the SPring-8 angstrom compact free-electron laser. An isomorphous difference Fourier map between the two-flash and dark-adapted states revealed two areas of apparent changes: around the QB/non-haem iron and the Mn4CaO5 cluster. The changes around the QB/non-haem iron region reflected the electron and proton transfers induced by the two-flash illumination. In the region around the OEC, a water molecule located 3.5 angstrom from the Mn4CaO5 cluster disappeared from the map upon two-flash illumination. This reduced the distance between another water molecule and the oxygen atom O4, suggesting that proton transfer also occurred. Importantly, the two-flash-minus-dark isomorphous difference Fourier map showed an apparent positive peak around O5, a unique mu 4-oxo-bridge located in the quasi-centre of Mn1 and Mn4 (refs 4,5). This suggests the insertion of a new oxygen atom (O6) close to O5, providing an O=O distance of 1.5 angstrom between these two oxygen atoms. This provides a mechanism for the O=O bond formation consistent with that proposed previously(6,7.)

    DOI: 10.1038/nature21400

    Web of Science

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  • Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI supercomplex 査読

    Xiaochun Qin, Michihiro Suga, Tingyun Kuang, Jian-Ren Shen

    SCIENCE   348 ( 6238 )   989 - 995   2015年5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 ASSOC ADVANCEMENT SCIENCE  

    Photosynthesis converts solar energy to chemical energy by means of two large pigment-protein complexes: photosystem I (PSI) and photosystem II (PSII). In higher plants, the PSI core is surrounded by a large light-harvesting complex I (LHCI) that captures sunlight and transfers the excitation energy to the core with extremely high efficiency. We report the structure of PSI-LHCI, a 600-kilodalton membrane protein supercomplex, from Pisum sativum (pea) at a resolution of 2.8 angstroms. The structure reveals the detailed arrangement of pigments and other cofactors-especially within LHCI-as well as numerous specific interactions between the PSI core and LHCI. These results provide a firm structural basis for our understanding on the energy transfer and photoprotection mechanisms within the PSI-LHCI supercomplex.

    DOI: 10.1126/science.aab0214

    Web of Science

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  • Native structure of photosystem II at 1.95 angstrom resolution viewed by femtosecond X-ray pulses 査読

    Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Kunio Hirata, Go Ueno, Hironori Murakami, Yoshiki Nakajima, Tetsuya Shimizu, Keitaro Yamashita, Masaki Yamamoto, Hideo Ago, Jian-Ren Shen

    NATURE   517 ( 7532 )   99 - U265   2015年1月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:NATURE PUBLISHING GROUP  

    Photosynthesis converts light energy into biologically useful chemical energy vital to life on Earth. The initial reaction of photosynthesis takes place in photosystem II (PSII), a 700-kilodalton homodimeric membrane protein complex that catalyses photo-oxidation of water into dioxygen through an S-state cycle of the oxygen evolving complex (OEC). The structure of PSII has been solved by X-ray diffraction (XRD) at 1.9 angstrom resolution, which revealed that the OEC is a Mn4CaO5-cluster coordinated by a well defined protein environment(1). However, extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) studies showed that the manganese cations in the OEC are easily reduced by X-ray irradiation(2), and slight differences were found in the Mn-Mn distances determined by XRD1, EXAFS(3-7) and theoretical studies(8-14). Here we report a 'radiation-damage-free' structure of PSII from Thermosynechococcus vulcanus in the S-1 state at a resolution of 1.95 angstroms using femtosecond X-ray pulses of the SPring-8 angstrom compact free-electron laser (SACLA) and hundreds of large, highly isomorphous PSII crystals. Compared with the structure from XRD, the OEC in the X-ray free electron laser structure has Mn-Mn distances that are shorter by 0.1-0.2 angstroms. The valences of each manganese atom were tentatively assigned as Mn1D(III), Mn2C(IV), Mn3B(IV) and Mn4A(III), based on the average Mn-ligand distances and analysis of the Jahn-Teller axis on Mn(III). One of the oxo-bridged oxygens, O5, has significantly longer distances to Mn than do the other oxo-oxygen atoms, suggesting that O5 is a hydroxide ion instead of a normal oxygen dianion and therefore may serve as one of the substrate oxygen atoms. These findings provide a structural basis for the mechanism of oxygen evolution, and we expect that this structure will provide a blueprint for the design of artificial catalysts for water oxidation.

    DOI: 10.1038/nature13991

    Web of Science

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  • Oxygen-evolving photosystem II structures during S1-S2-S3 transitions. 国際誌

    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

    Nature   2024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)  

    Photosystem II (PSII) catalyses the oxidation of water through a four-step cycle of Si states (i = 0-4) at the Mn4CaO5 cluster1-3, during which an extra oxygen (O6) is incorporated at the S3 state to form a possible dioxygen4-7. Structural changes of the metal cluster and its environment during the S-state transitions have been studied on the microsecond timescale. Here we use pump-probe serial femtosecond crystallography to reveal the structural dynamics of PSII from nanoseconds to milliseconds after illumination with one flash (1F) or two flashes (2F). YZ, a tyrosine residue that connects the reaction centre P680 and the Mn4CaO5 cluster, showed structural changes on a nanosecond timescale, as did its surrounding amino acid residues and water molecules, reflecting the fast transfer of electrons and protons after flash illumination. Notably, one water molecule emerged in the vicinity of Glu189 of the D1 subunit of PSII (D1-E189), and was bound to the Ca2+ ion on a sub-microsecond timescale after 2F illumination. This water molecule disappeared later with the concomitant increase of O6, suggesting that it is the origin of O6. We also observed concerted movements of water molecules in the O1, O4 and Cl-1 channels and their surrounding amino acid residues to complete the sequence of electron transfer, proton release and substrate water delivery. These results provide crucial insights into the structural dynamics of PSII during S-state transitions as well as O-O bond formation.

    DOI: 10.1038/s41586-023-06987-5

    PubMed

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  • Crystal structures of photosystem II from a cyanobacterium expressing psbA2 in comparison to psbA3 reveal differences in the D1 subunit. 査読 国際誌

    Yoshiki Nakajima, Natsumi Ugai-Amo, Naoki Tone, Akiko Nakagawa, Masako Iwai, Masahiko Ikeuchi, Miwa Sugiura, Michihiro Suga, Jian-Ren Shen

    The Journal of biological chemistry   298 ( 12 )   102668 - 102668   2022年11月

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Three psbA genes (psbA1, psbA2, and psbA3) encoding the D1 subunit of photosystem II (PSII) are present in the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus and are expressed differently in response to changes in the growth environment. To clarify the functional differences of the D1 protein expressed from these psbA genes, PSII dimers from two strains, each expressing only one psbA gene (psbA2 or psbA3), were crystallized, and we analyzed their structures at resolutions comparable to previously studied PsbA1-PSII. Our results showed that the hydrogen bond between pheophytin/D1 (PheoD1) and D1-130 became stronger in PsbA2- and PsbA3-PSII due to change of Gln to Glu, which partially explains the increase in the redox potential of PheoD1 observed in PsbA3. In PsbA2, one hydrogen bond was lost in PheoD1 due to the change of D1-Y147F, which may explain the decrease in stability of PheoD1 in PsbA2. Two water molecules in the Cl-1 channel were lost in PsbA2 due to the change of D1-P173M, leading to the narrowing of the channel, which may explain the lower efficiency of the S-state transition beyond S2 in PsbA2-PSII. In PsbA3-PSII, a hydrogen bond between D1-Ser270 and a sulfoquinovosyl-diacylglycerol molecule near QB disappeared due to the change of D1-Ser270 in PsbA1 and PsbA2 to D1-Ala270. This may result in an easier exchange of bound QB with free plastoquinone, hence an enhancement of oxygen evolution in PsbA3-PSII due to its high QB exchange efficiency. These results provide a structural basis for further functional examination of the three PsbA variants.

    DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102668

    PubMed

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

    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   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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  • Structure and function of a silicic acid channel Lsi1. 招待 査読 国際誌

    Yasunori Saitoh, Michihiro Suga

    Frontiers in plant science   13   982068 - 982068   2022年

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    担当区分:最終著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Silicon is a beneficial element for plant growth and production, especially in rice. Plant roots take up silicon in the form of silicic acid. Silicic acid channels, which belong to the NIP subfamily of aquaporins, are responsible for silicic acid uptake. Accumulated experimental results have deepened our understanding of the silicic acid channel for its uptake mechanism, physiological function, localization, and other aspects. However, how the silicic acid channel efficiently and selectively permeates silicic acid remains to be elucidated. Recently reported crystal structures of the silicic acid channel enabled us to discuss the mechanism of silicic acid uptake by plant roots at an atomic level. In this mini-review, we focus on the crystal structures of the silicic acid channel and provide a detailed description of the structural determinants of silicic acid permeation and its transport mechanism, which are crucial for the rational creation of secure and sustainable crops.

    DOI: 10.3389/fpls.2022.982068

    PubMed

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  • Capturing structural changes of the S1 to S2 transition of photosystem II using time-resolved serial femtosecond crystallography. 査読 国際誌

    Hongjie Li, Yoshiki Nakajima, Takashi Nomura, Michihiro Sugahara, Shinichiro Yonekura, Siu Kit Chan, Takanori Nakane, Takahiro Yamane, Yasufumi Umena, Mamoru Suzuki, Tetsuya Masuda, Taiki Motomura, Hisashi Naitow, Yoshinori Matsuura, Tetsunari Kimura, Kensuke Tono, Shigeki Owada, Yasumasa Joti, Rie Tanaka, Eriko Nango, Fusamichi Akita, Minoru Kubo, So Iwata, Jian-Ren Shen, Michihiro Suga

    IUCrJ   8 ( Pt 3 )   431 - 443   2021年5月

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    担当区分:最終著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Photosystem II (PSII) catalyzes light-induced water oxidation through an S i -state cycle, leading to the generation of di-oxygen, protons and electrons. Pump-probe time-resolved serial femtosecond crystallography (TR-SFX) has been used to capture structural dynamics of light-sensitive proteins. In this approach, it is crucial to avoid light contamination in the samples when analyzing a particular reaction intermediate. Here, a method for determining a condition that avoids light contamination of the PSII microcrystals while minimizing sample consumption in TR-SFX is described. By swapping the pump and probe pulses with a very short delay between them, the structural changes that occur during the S1-to-S2 transition were examined and a boundary of the excitation region was accurately determined. With the sample flow rate and concomitant illumination conditions determined, the S2-state structure of PSII could be analyzed at room temperature, revealing the structural changes that occur during the S1-to-S2 transition at ambient temperature. Though the structure of the manganese cluster was similar to previous studies, the behaviors of the water molecules in the two channels (O1 and O4 channels) were found to be different. By comparing with the previous studies performed at low temperature or with a different delay time, the possible channels for water inlet and structural changes important for the water-splitting reaction were revealed.

    DOI: 10.1107/S2052252521002177

    PubMed

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  • Structural variations of photosystem I-antenna supercomplex in response to adaptations to different light environments. 招待 査読 国際誌

    Michihiro Suga, Jian-Ren Shen

    Current opinion in structural biology   63   10 - 17   2020年8月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Photosystem I (PSI) is one of the two photosystems in photosynthesis, and generates reducing power required for carbon dioxide fixation. PSI exists as a reaction center core in cyanobacteria but is surrounded by light-harvesting antenna complexes (LHCI) to form PSI-LHCI supercomplexes in eukaryotic organisms. The structures of PSI core and PSI-LHCI have been reported from various organisms. We compare these structures and highlight the differences among different organisms. While the PSI core is more conserved, there are differences in its subunit composition and organization. Larger differences are found in the subunit composition, organization, and pigment binding in LHCI. All these changes can be explained in the framework of better adaptation to different light environment that each photosynthetic organism inhabits.

    DOI: 10.1016/j.sbi.2020.02.005

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  • Time-resolved studies of metalloproteins using X-ray free electron laser radiation at SACLA. 査読 国際誌

    Michihiro Suga, Atsuhiro Shimada, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen, Takehiko Tosha, Hiroshi Sugimoto

    Biochimica et biophysica acta. General subjects   1864 ( 2 )   129466 - 129466   2020年2月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    BACKGROUND: The invention of the X-ray free-electron laser (XFEL) has provided unprecedented new opportunities for structural biology. The advantage of XFEL is an intense pulse of X-rays and a very short pulse duration (<10 fs) promising a damage-free and time-resolved crystallography approach. SCOPE OF REVIEW: Recent time-resolved crystallographic analyses in XFEL facility SACLA are reviewed. Specifically, metalloproteins involved in the essential reactions of bioenergy conversion including photosystem II, cytochrome c oxidase and nitric oxide reductase are described. MAJOR CONCLUSIONS: XFEL with pump-probe techniques successfully visualized the process of the reaction and the dynamics of a protein. Since the active center of metalloproteins is very sensitive to the X-ray radiation, damage-free structures obtained by XFEL are essential to draw mechanistic conclusions. Methods and tools for sample delivery and reaction initiation are key for successful measurement of the time-resolved data. GENERAL SIGNIFICANCE: XFEL is at the center of approaches to gain insight into complex mechanism of structural dynamics and the reactions catalyzed by biological macromolecules. Further development has been carried out to expand the application of time-resolved X-ray crystallography. This article is part of a Special Issue entitled Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules.

    DOI: 10.1016/j.bbagen.2019.129466

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  • Elucidation of the entire Kok cycle for photosynthetic water oxidation by the large-scale quantum mechanics/molecular mechanics calculations: Comparison with the experimental results by the recent serial femtosecond crystallography 査読

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

    CHEMICAL PHYSICS LETTERS   730   416 - 425   2019年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.cplett.2019.06.026

    Web of Science

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  • Structure of the green algal photosystem I supercomplex with a decameric light-harvesting complex I 査読

    Suga Michihiro, Ozawa Shin-Ichiro, Yoshida-Motomura Kaori, Akita Fusamichi, Miyazaki Naoyuki, Takahashi Yuichiro

    NATURE PLANTS   5 ( 6 )   626 - 636   2019年6月

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  • Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms 査読

    Wang Wenda, Yu Long-Jiang, Xu Caizhe, Tomizaki Takashi, Zhao Songhao, Umena Yasufumi, Chen Xiaobo, Qin Xiaochun, Xin Yueyong, Suga Michihiro, Han Guangye, Kuang Tingyun, Shen Jian-Ren

    SCIENCE   363 ( 6427 )   eaav0365 - +   2019年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1126/science.aav0365

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  • Novel features of LH1-RC from Thermochromatium tepidum revealed from its atomic resolution structure

    Long-Jiang Yu, Michihiro Suga, Zheng-Yu Wang-Otomo, Jian-Ren Shen

    FEBS JOURNAL   285 ( 23 )   4359 - 4366   2018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:WILEY  

    Light-harvesting-1 (LH1)-reaction center (RC) super-complex is a membrane protein-pigment complex existing in purple photosynthetic bacteria, where LH1 absorbs light energy and transfers them rapidly and efficiently to RC to initiate the charge separation and electron transfer reactions. The structure of LH1-RC has been reported at relatively low resolutions from several different species of bacteria previously, but was solved at an atomic resolution recently from a thermophilic photosynthetic bacterium Thermochromatium tepidum. This high-resolution structure revealed the detailed organization of the super-complex including a number of unique features that are important for its functioning, such as a more intact RC structure, transporting routes for quinones to replace the bound Q(B) as well as for the in-and-out of the closed LH1 ring, detailed coordinating environment of the Ca2+ ions in LH1 important for the remarkable red shift of the absorption spectrum, as well as for the enhanced thermostability. These results thus greatly advance our understanding on the mechanisms of energy transfer, quinone exchange, the red shift in the LH1-Qy transition and the enhanced thermal stability, in this super-complex.

    DOI: 10.1111/febs.14679

    Web of Science

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  • Thylakoid membrane lipid sulfoquinovosyl-diacylglycerol (SQDG) is required for full functioning of photosystem II in Thermosynechococcus elongatus 査読 国際誌

    Nakajima Yoshiki, Umena Yasufumi, Nagao Ryo, Endo Kaichiro, Kobayashi Koichi, Akita Fusamichi, Suga Michihiro, Wada Hajime, Noguchi Takumi, Shen Jian-Ren

    JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY   293 ( 38 )   14786 - 14797   2018年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1074/jbc.RA118.004304

    Web of Science

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  • Fourier Transform Infrared Analysis of the S-State Cycle of Water Oxidation in the Microcrystals of Photosystem II 査読

    Yuki Kato, Fusamichi Akita, Yoshiki Nakajima, Michihiro Suga, Yasufumi Umena, Jian-Ren Shen, Takumi Noguchi

    Journal of Physical Chemistry Letters   9 ( 9 )   2121 - 2126   2018年5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:American Chemical Society  

    Photosynthetic water oxidation is performed in photosystem II (PSII) through a light-driven cycle of intermediates called S states (S0-S4) at the water oxidizing center. Time-resolved serial femtosecond crystallography (SFX) has recently been applied to the microcrystals of PSII to obtain the structural information on these intermediates. However, it remains unanswered whether the reactions efficiently proceed throughout the S-state cycle retaining the native structures of the intermediates in PSII crystals. We investigated the water oxidation reactions in the PSII microcrystals using flash-induced Fourier transform infrared (FTIR) difference spectroscopy. In comparison with the FTIR spectra in solution, it was shown that all of the metastable intermediates in the microcrystals retained their native structures, and the efficiencies of the S-state transitions remained relatively high, although those of the S2 → S3 and S3 → S0 transitions were slightly lowered possibly due to some restriction of water movement in the crystals.

    DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00638

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  • Structure of photosynthetic LH1-RC supercomplex at 1.9 Å resolution 査読

    Long-Jiang Yu, Michihiro Suga, Zheng-Yu Wang-Otomo, Jian-Ren Shen

    Nature   556 ( 7700 )   209 - 213   2018年4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:Nature Publishing Group  

    Light-harvesting complex 1 (LH1) and the reaction centre (RC) form a membrane-protein supercomplex that performs the primary reactions of photosynthesis in purple photosynthetic bacteria. The structure of the LH1-RC complex can provide information on the arrangement of protein subunits and cofactors
    however, so far it has been resolved only at a relatively low resolution. Here we report the crystal structure of the calcium-ion-bound LH1-RC supercomplex of Thermochromatium tepidum at a resolution of 1.9 Å. This atomic-resolution structure revealed several new features about the organization of protein subunits and cofactors. We describe the loop regions of RC in their intact states, the interaction of these loop regions with the LH1 subunits, the exchange route for the bound quinone QB with free quinone molecules, the transport of free quinones between the inside and outside of the LH1 ring structure, and the detailed calcium-ion-binding environment. This structure provides a solid basis for the detailed examination of the light reactions that occur during bacterial photosynthesis.

    DOI: 10.1038/s41586-018-0002-9

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  • Large-scale QM/MM calculations of the CaMn4O5 cluster in the S-3 state of the oxygen evolving complex of photosystem II. Comparison between water-inserted and no water-inserted structures 査読

    Mitsuo Shoji, Hiroshi Isobe, Takahito Nakajima, Yasuteru Shigeta, Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen, Kizashi Yamaguchi

    FARADAY DISCUSSIONS   198   83 - 106   2017年6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:ROYAL SOC CHEMISTRY  

    Large-scale QM/MM calculations were performed to elucidate an optimized geometrical structure of a CaMn4O5 cluster with and without water insertion in the S-3 state of the oxygen evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII). The left (L)-opened structure was found to be stable under the assumption of no hydroxide anion insertion in the S-3 state, whereas the right (R)-opened structure became more stable if one water molecule is inserted to the Mn4Ca cluster. The optimized Mn-a(4)-Mn-d(1) distance determined by QM/MM was about 5.0 angstrom for the S-3 structure without an inserted hydroxide anion, but this is elongated by 0.2-0.3 angstrom after insertion. These computational results are discussed in relation to the possible mechanisms of O-O bond formation in water oxidation by the OEC of PSII.

    DOI: 10.1039/c6fd00230g

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  • Crystal structure and redox properties of a novel cyanobacterial heme protein with a His/Cys heme axial ligation and a Per-Arnt-Sim (PAS)-like domain 査読

    Taiki Motomura, Michihiro Suga, Rainer Hienerwadel, Akiko Nakagawa, Thanh-Lan Lai, Wolfgang Nitschke, Takahiro Kuma, Miwa Sugiura, Alain Boussac, Jian-Ren Shen

    JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY   292 ( 23 )   9599 - 9612   2017年6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 SOC BIOCHEMISTRY MOLECULAR BIOLOGY INC  

    Photosystem II catalyzes light-induced water oxidation leading to the generation of dioxygen indispensable for sustaining aerobic life on Earth. The Photosystem II reaction center is composed of D1 and D2 proteins encoded by psbA and psbD genes, respectively. In cyanobacteria, different psbA genes are present in the genome. The thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus contains three psbA genes: psbA1, psbA2, and psbA3, and a new c-type heme protein, Tll0287, was found to be expressed in a strain expressing the psbA2 gene only, but the structure and function of Tll0287 are unknown. Here we solved the crystal structure of Tll0287 at a 2.0 angstrom resolution. The overall structure of Tll0287 was found to be similar to some kinases and sensor proteins with a Per-Arnt-Sim-like domain rather than to other c-type cytochromes. The fifth and sixth axial ligands for the heme were Cys and His, instead of the His/Met or His/His ligand pairs observed for most of the c-type hemes. The redox potential, E-1/2, of Tll0287 was -255 +/- 20 mV versus normal hydrogen electrode at pH values above 7.5. Below this pH value, the E1/2 increased by approximate to 57 mV/pH unit at 15 degrees C, suggesting the involvement of a protonatable group with a pK(red) = 7.2 +/- 0.3. Possible functions of Tll0287 as a redox sensor under microaerobic conditions or a cytochrome subunit of an H2S-oxidizing system are discussed in view of the environmental conditions in which psbA2 is expressed, as well as phylogenetic analysis, structural, and sequence homologies.

    DOI: 10.1074/jbc.M116.746263

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  • Structure and energy transfer pathways of the plant photosystem I-LHCI supercomplex 招待 査読

    Michihiro Suga, Xiaochun Qin, Tingyun Kuang, Jian-Ren Shen

    CURRENT OPINION IN STRUCTURAL BIOLOGY   39   46 - 53   2016年8月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:CURRENT BIOLOGY LTD  

    Photosystem I (PSI) is one of the two photosystems in oxygenic photosynthesis, and absorbs light energy to generate reducing power for the reduction of NADP+ to NADPH with a quantum efficiency close to 100%. The plant PSI core forms a supercomplex with light-harvesting complex I (LHCI) with a total molecular weight of over 600 kDa. Recent X-ray structure analysis of the PSI-LHCI membrane-protein supercomplex has revealed detailed arrangement of the light-harvesting pigments and other cofactors especially within LHCI. Here we introduce the overall structure of the PSI-LHCI supercomplex, and then focus on the excited energy transfer (EET) pathways from LHCI to the PSI core and photoprotection mechanisms based on the structure obtained.

    DOI: 10.1016/j.sbi.2016.04.004

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  • On the guiding principles for lucid understanding of the damage-free S-1 structure of the CaMn4O5 cluster in the oxygen evolving complex of photosystem II 査読

    Mitsuo Shoji, Hiroshi Isobe, Shusuke Yamanaka, Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen, Kizashi Yamaguchi

    CHEMICAL PHYSICS LETTERS   627   44 - 52   2015年5月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    Several key concepts and geometrical rules for the Mn-Mn and Mn-O distances of the CaMn4O5 cluster in the oxygen evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII) by previous and present theoretical calculations were examined for a clear understanding of the damage-free Si structure revealed by X-ray free electron laser (XFEL). A simple equation to estimate the Mn-a-Mn-b distance in relation to the Mn-a-O(5) distance was derived taking into consideration the Jahn-Teller (JT) effects for Mn centers, indicating that the XFEL structure is regarded as a slightly right-elongated quasi-central structure in contradiction to a right-opened structure proposed by the EXAFS measurements. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.cplett.2015.03.033

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  • Theoretical studies of the damage- free S-1 structure of the CaMn4O5 cluster in oxygen-evolving complex of photosystem II 査読

    Mitsuo Shoji, Hiroshi Isobe, Shusuke Yamanaka, Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen, Kizashi Yamaguchi

    CHEMICAL PHYSICS LETTERS   623   1 - 7   2015年3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:ELSEVIER SCIENCE BV  

    The structure of the oxygen evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII) was recently analyzed by crystallography at 1.95 angstrom resolution using X-ray free electron laser (XFEL), but the positions of hydrogen atoms were not determined. We have examined the XFEL structure theoretically under the assumption off our protonation cases. The spin densities obtained by the high-spin UB3LYP revealed that a partial internal reduction of the high-valent Mn ions in the CaMn4O4X(H2O)(3)Y cluster occurs for the O-(5)(=X) = O2- case, entailing its protonation (X = OH-) in the XFEL structure. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.cplett.2015.01.030

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  • Crystal structure at 1.5 angstrom resolution of the PsbV2 cytochrome from the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus 査読

    Michihiro Suga, Thanh-Lan Lai, Miwa Sugiura, Jian-Ren Shen, Alain Boussac

    FEBS LETTERS   587 ( 19 )   3267 - 3272   2013年10月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:WILEY  

    PsbV2 is a c-type cytochrome present in a very low abundance in the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus. We purified this cytochrome and solved its crystal structure at a resolution of 1.5 angstrom. The protein existed as a dimer in the crystal, and has an overall structure similar to other c-type cytochromes like Cytc(6) and Cytc(550), for example. However, the 5th and 6th heme iron axial ligands were found to be His51 and Cys101, respectively, in contrast to the more common bis-His or His/Met ligands found in most cytochromes. Although a few other c-type cytochromes were suggested to have this axial coordination, this is the first crystal structure reported for a c-type heme with this unusual His/Cys axial coordination. Previous spectroscopic characterizations of PsbV2 are discussed in relation to its structural properties. (C) 2013 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier B. V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.febslet.2013.08.023

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  • Crystal Structure of Psb31, a Novel Extrinsic Protein of Photosystem II from a Marine Centric Diatom and Implications for Its Binding and Function 査読

    Ryo Nagao, Michihiro Suga, Ayako Niikura, Akinori Okumura, Faisal Hammad Mekky Koua, Takehiro Suzuki, Tatsuya Tomo, Isao Enami, Jian-Ren Shen

    BIOCHEMISTRY   52 ( 38 )   6646 - 6652   2013年9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  

    Psb31 is a fifth extrinsic protein found in photosystem II (PSII) of a centric diatom, Chaetoceros gracilis. The protein has been shown to bind directly to PSII in the absence of other extrinsic proteins and serves in part as a substitute for PsbO in supporting oxygen evolution. We report here the crystal structure of Psb31 at a resolution of 1.55 angstrom. The structure of Psb31 was composed of two domains, one major, N-terminal four helical domain and one minor, flexible C-terminal domain. The four helices in the N-terminal domain were arranged in an up down-up-down-fold, which appeared unexpectedly to be similar to the structure of spinach PsbQ in spite of their low sequence homology. This suggests that the centric diatom PSII contains another PsbQ- type extrinsic protein in addition to the original PsbQ protein found in the organism. On the other hand, the C-terminal domain of Psb31 has a unique structure composed of one loop and one short helix. Based on these structural analysis and chemical cross-linking experiments, residues responsible for the binding of Psb31 to PSII intrinsic proteins were suggested. The results are discussed in relation to the copy number of extrinsic proteins in higher plant PSII.

    DOI: 10.1021/bi400770d

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  • Distinguishing between Cl- and O-2(2-) as the bridging element between Fe3+ and Cu2+ in resting-oxidized cytochrome c oxidase 査読

    Michihiro Suga, Naomine Yano, Kazumasa Muramoto, Kyoko Shinzawa-Itoh, Tomoko Maeda, Eiki Yamashita, Tomitake Tsukihara, Shinya Yoshikawa

    ACTA CRYSTALLOGRAPHICA SECTION D-BIOLOGICAL CRYSTALLOGRAPHY   67   742 - 744   2011年8月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:WILEY-BLACKWELL  

    Fully oxidized cytochrome c oxidase (CcO) under enzymatic turnover is capable of pumping protons, while fully oxidized CcO as isolated is not able to do so upon one-electron reduction. The functional difference is expected to be a consequence of structural differences: [Fe3+-OH-] under enzymatic turnover versus [Fe3+-O-2(2-)-Cu2+] for the as-isolated CcO. However, the electron density for O-2(2-) is equally assignable to Cl-. An anomalous dispersion analysis was performed in order to conclusively demonstrate the absence of Cl- between the Fe3+ and Cu2+. Thus, the peroxide moiety receives electron equivalents from cytochrome c without affecting the oxidation states of the metal sites. The metal-site reduction is coupled to the proton pump.

    DOI: 10.1107/S0907444911022803

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  • Structural insight into maintenance methylation by mouse DNA methyltransferase 1 (Dnmt1) 査読

    Kohei Takeshita, Isao Suetake, Eiki Yamashita, Michihiro Suga, Hirotaka Narita, Atsushi Nakagawa, Shoji Tajima

    PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA   108 ( 22 )   9055 - 9059   2011年5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:NATL ACAD SCIENCES  

    Methylation of cytosine in DNA plays a crucial role in development through inheritable gene silencing. The DNA methyltransferase Dnmt1 is responsible for the propagation of methylation patterns to the next generation via its preferential methylation of hemimethylated CpG sites in the genome; however, how Dnmt1 maintains methylation patterns is not fully understood. Here we report the crystal structure of the large fragment (291-1620) of mouse Dnmt1 and its complexes with cofactor S-adenosyl-L-methionine and its product S-adenosyl-L-homocystein. Notably, in the absence of DNA, the N-terminal domain responsible for targeting Dnmt1 to replication foci is inserted into the DNA-binding pocket, indicating that this domain must be removed for methylation to occur. Upon binding of S-adenosyl-L-methionine, the catalytic cysteine residue undergoes a conformation transition to a catalytically competent position. For the recognition of hemimethylated DNA, Dnmt1 is expected to utilize a target recognition domain that overhangs the putative DNA-binding pocket. Taking into considerations the recent report of a shorter fragment structure of Dnmt1 that the CXXC motif positions itself in the catalytic pocket and prevents aberrant de novo methylation, we propose that maintenance methylation is a multistep process accompanied by structural changes.

    DOI: 10.1073/pnas.1019629108

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  • A description of the structural determination procedures of a gap junction channel at 3.5 angstrom resolution 査読

    Michihiro Suga, Shoji Maeda, So Nakagawa, Eiki Yamashita, Tomitake Tsukihara

    ACTA CRYSTALLOGRAPHICA SECTION D-BIOLOGICAL CRYSTALLOGRAPHY   65   758 - 766   2009年8月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:WILEY-BLACKWELL  

    Intercellular signalling is an essential characteristic of multicellular organisms. Gap junctions, which consist of arrays of intercellular channels, permit the exchange of ions and small molecules between adjacent cells. Here, the structural determination of a gap junction channel composed of connexin 26 (Cx26) at 3.5 angstrom resolution is described. During each step of the purification process, the protein was examined using electron microscopy and/or dynamic light scattering. Dehydration of the crystals improved the resolution limits. Phase refinement using multi-crystal averaging in conjunction with noncrystallographic symmetry averaging based on strictly determined noncrystallographic symmetry operators resulted in an electron-density map for model building. The amino-acid sequence of a protomer structure consisting of the amino-terminal helix, four transmembrane helices and two extracellular loops was assigned to the electron-density map. The amino-acid assignment was confirmed using six selenomethionine (SeMet) sites in the difference Fourier map of the SeMet derivative and three intramolecular disulfide bonds in the anomalous difference Fourier map of the native crystal.

    DOI: 10.1107/S0907444909014711

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  • Structure of the connexin 26 gap junction channel at 3.5 A resolution. 査読 国際誌

    Shoji Maeda, So Nakagawa, Michihiro Suga, Eiki Yamashita, Atsunori Oshima, Yoshinori Fujiyoshi, Tomitake Tsukihara

    Nature   458 ( 7238 )   597 - 602   2009年4月

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    記述言語:英語  

    Gap junctions consist of arrays of intercellular channels between adjacent cells that permit the exchange of ions and small molecules. Here we report the crystal structure of the gap junction channel formed by human connexin 26 (Cx26, also known as GJB2) at 3.5 A resolution, and discuss structural determinants of solute transport through the channel. The density map showed the two membrane-spanning hemichannels and the arrangement of the four transmembrane helices of the six protomers forming each hemichannel. The hemichannels feature a positively charged cytoplasmic entrance, a funnel, a negatively charged transmembrane pathway, and an extracellular cavity. The pore is narrowed at the funnel, which is formed by the six amino-terminal helices lining the wall of the channel, which thus determines the molecular size restriction at the channel entrance. The structure of the Cx26 gap junction channel also has implications for the gating of the channel by the transjunctional voltage.

    DOI: 10.1038/nature07869

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    PubMed

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  • Structure of Physarum polycephalum cytochrome b5 reductase at 1.56Å resolution. 査読

    Sangwoo Kim, Michihiro Suga, Kyoko Ogasahara, Terumi Ikegami, Yoshiko Minami, Toshitsugu Yubisui, Tomitake Tsukihara

    Acta Cryst.   63   274 - 279   2007年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1107/S1744309107010731

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書籍等出版物

  • Structure, Electron Transfer Chain of Photosystem II and the Mechanism of Water Splitting

    Jian-Ren Shen, Yoshiki Nakajima, Fusamichi Akita, Michihiro Suga( 担当: 分担執筆)

    Springer, Cham  2021年9月 

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  • 光エネルギー変換における分子触媒の新展開 : 天然光合成を凌駕する反応系の構築を目指して

    日本化学会( 担当: 共著 ,  範囲: 光合成光化学系IIの構造と触媒機能)

    化学同人  2020年9月  ( ISBN:9784759813982

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    総ページ数:v, 176p, 図版 [4] p   記述言語:日本語

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MISC

  • 植物のケイ酸チャネルの構造と機能 招待 査読

    齊藤 恭紀, 菅 倫寛

    日本結晶学会誌   64   1 - 2   2022年12月

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    担当区分:最終著者  

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  • 光環境に適応する光化学系I-アンテナ超複合体の多彩な構造 招待 査読

    菅倫寛, 沈建仁

    光合成研究   32   77 - 85   2022年

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  • 穀物由来ケイ酸チャネルによるケイ酸輸送機構の構造学的研究

    齊藤恭紀, 三谷(上野)奈見季, 斉藤圭亮, 斉藤圭亮, 松木謙悟, 黄勝, 楊霊麗, 山地直樹, 石北央, 石北央, 沈建仁, 沈建仁, 馬建鋒, 菅倫寛, 菅倫寛, 菅倫寛

    膜シンポジウム(CD-ROM)   ( 33 )   2021年

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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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  • 近未来の構造生物学 招待 査読

    菅 倫寛

    62 ( 4 )   238 - 240   2020年12月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者  

    DOI: 10.5940/jcrsj.62.238

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  • シリアルフェムト秒結晶解析により明らかにした光化学系Ⅱの反応中間体の構造と酸素発生機構

    菅 倫寛, 秋田 総理, 菅原 道泰, 久保 稔, 岩田 想, 沈 建仁

    放射光 : 日本放射光学会誌 = Journal of the Japanese Society for Synchrotron Radiation Research   30 ( 5 )   228 - 234   2017年9月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:日本放射光学会  

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  • X線自由電子レーザーを利用した光化学系IIの原子構造と水分解反応機構の解明 招待 査読

    菅 倫寛, 秋田 総理, 沈 建仁

    レーザー学会誌「レーザー研究」   45 ( 8 )   475 - 479   2017年

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:日本語   出版者・発行元:レーザー学会  

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  • 光合成水分解・酸素発生反応の構造基盤 査読

    秋田総理, 菅倫寛, 沈建仁

    日本生化学会誌   89 ( 5 )   699 - 709   2017年

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    記述言語:日本語   掲載種別:書評論文,書評,文献紹介等  

    DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2017.890699

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  • 植物光化学系I-集光性アンテナI 超複合体におけるエネルギー伝達の構造基盤 招待 査読

    菅 倫寛, 沈 建仁

    SPring-8/SACLA利用者情報   22 ( 3 )   233 - 237   2017年

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者  

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  • SACLAが解き明かす光合成の仕組み (特集 X線自由電子レーザーと進展するその応用)

    沈 建仁, 菅 倫寛, 秋田 総理

    Optronics : 光技術コーディネートジャーナル   35 ( 1 )   31 - 35   2016年1月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:オプトロニクス社  

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  • 光合成の構造生物学 招待 査読

    沈 建仁, 秋田 総理, 菅 倫寛

    生物物理   56 ( 2 )   79 - 86   2016年

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    担当区分:最終著者   記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人 日本生物物理学会  

    Oxygenic photosynthesis synthesizes sugars from water and carbon dioxide using light energy from the sun, thereby converts light energy into chemical energy and provides oxygen for aerobic life on the earth. The light-harvesting, electron transfer, and water-splitting reactions of photosynthesis are catalyzed by two large membrane-protein complexes photosystem II (PSII) and photosystem I (PSI). Through high-resolution crystal structural analysis by synchrotron X-rays as well as femtosecond X-ray free electron lasers, the mechanisms of these reactions have become understandable at the atomic level. Here we review the recent progresses in analyzing the structures of PSII and PSI as well as their functional implications.

    DOI: 10.2142/biophys.56.079

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    その他リンク: https://jlc.jst.go.jp/DN/JLC/20021928091?from=CiNii

  • フェムト秒X線レーザーを用いて決定した光化学系II複合体の無損傷構造 招待 査読

    菅 倫寛, 秋田 総理, 沈 建仁, 山本 雅貴, 吾郷 日出夫

    日本結晶学会誌   58 ( 3 )   126 - 132   2016年

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者  

    DOI: 10.5940/jcrsj.58.126

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  • X線自由電子レーザーで決定した光化学系Ⅱ複合体の無損傷結晶構造と水分解反応機構 招待 査読

    菅 倫寛, 秋田 総理, 山本 雅貴

    放射光 : 日本放射光学会誌   28 ( 4 )   177 - 182   2015年7月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:日本語   出版者・発行元:日本放射光学会  

    CiNii Article

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  • Crystal structure of Extrinsic protein in photosystem II 査読

    R. Nagao, M. Suga, A. Niikura, A. Okumura, F.H.M. Koua, T. Suzuki, T. Tomo, I. Enami, J.R. Shen

    2013年9月

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    出版者・発行元:Protein Data Bank, Rutgers University  

    DOI: 10.2210/pdb4k7b/pdb

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  • A peroxide bridge between the two metals in the dinuclear center of the fully oxidized cytochrome c oxidase

    Hiroshi Aoyama, Kazumasa Muramoto, Kunio Hirata, Michihiro Suga, Eiki Yamashita, Yoko Shinzawa-Itoh, Takashi Ogura, Tomitake Tsukihara, Shinya Yoshikawa

    BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOENERGETICS   1777   S69 - S69   2008年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究発表ペーパー・要旨(国際会議)   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    DOI: 10.1016/j.bbabio.2008.05.272

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  • 2P092 酸化型ウシ心筋チトクロム酸化酵素の活性中心の構造(ヘム蛋白質)

    青山 浩, 村本 和優, 菅 倫寛, 平田 邦夫, 山下 栄樹, 伊藤・新沢 恭子, 吉川 信也, 月原 冨武

    生物物理   44   S132   2004年

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人 日本生物物理学会  

    DOI: 10.2142/biophys.44.S132_4

    CiNii Article

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講演・口頭発表等

  • Structure and molecular mechanism of nature’s photosynthetic water splitting reaction. 招待

    菅 倫寛

    13th CSJ Chemistry Festa  2023年10月18日 

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    開催年月日: 2023年10月17日 - 2023年10月19日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Real-Time Structural Changes in the Mechanism of Water Oxidation Studied by Time-Resolved Crystallography of Photosystem II.

    Michi Suga

    Gordon Research Conference 2023 on photosynthesis 

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    開催年月日: 2023年7月23日 - 2023年7月28日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Structural dynamics and substrate binding to the oxygen-evolving complex studied by time-resolved X-ray crystallography of PSII 招待

    菅 倫寛

    10th Asian Biological Inorganic Chemnistry Conference  2022年12月1日 

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    開催年月日: 2022年11月28日 - 2022年12月3日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Time-resolved structural studies on photosystem II. 招待

    菅 倫寛

    Molecular movies symposium 2022  2022年11月21日 

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    開催年月日: 2022年11月21日 - 2022年11月22日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • X線自由電子レーザーを用いた解析におる光化学系IIの基質水分子の取り込みと水分子の酸化に関する構造的知見

    菅 倫寛, 中島芳樹, リホンジェ, 沈 建仁

    第60回 生物物理学会年会 

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    開催年月日: 2022年9月28日 - 2022年9月30日

    会議種別:ポスター発表  

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  • 放射光構造生物学研究会の活動

    栗栖源嗣, 熊坂崇, 沼本修孝, 菅 倫寛, 入江克雅, 坂井直樹, 于健, 水島恒裕, 藤原孝彰, 村木則文

    SPring-8シンポジウム2022 

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    開催年月日: 2022年9月25日 - 2022年9月26日

    会議種別:ポスター発表  

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  • Studies on the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II 招待

    菅 倫寛

    The 22nd annual meeting of the photobiology association of Japan (受賞講演)  2022年8月9日 

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    開催年月日: 2022年8月9日 - 2022年8月10日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Time-resolved structural studies on photosystem II provide insights into the mechanism of water oxidation and substrate delivery 招待

    菅 倫寛

    Satellite Meeting to 18th international congress on photosynthesis research 2022: Mechanism of water oxidation  2022年8月7日 

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    開催年月日: 2022年8月6日 - 2022年8月7日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • X-ray free electron lasers reveal the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II. 招待

    菅 倫寛

    International congress on photosynthesis research 2022 (受賞講演)  2022年8月3日 

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    開催年月日: 2022年7月31日 - 2022年8月5日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Crystal structure analyses of photosystem II isolated from Thermosynechococcus elongatus mutants expressing only psbA2 or psbA3 genes as the D1 protein

    Y Nakajima, N Ugai-Amo, N Tone, A Nakagawa, M Iwai, M Sugiura, M Ikeuchi, M Suga, J-R Shen

    International congress on photosynthesis research 2022 

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    開催年月日: 2022年7月31日 - 2022年8月5日

    会議種別:ポスター発表  

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  • Structural change in PSII during Si-state transition analyzed by time-resolved XFEL analysis.

    H Li, Y Nakajima, D Yamada, K Hashimoto, M Kubo, S Iwata, M Suga, J-R Shen

    International congress on photosynthesis research 2022 

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    開催年月日: 2022年7月31日 - 2022年8月5日

    会議種別:ポスター発表  

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  • X-ray free electron lasers reveal the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II 招待

    菅 倫寛

    The 4th Annual Meeting of the quantum life science society  2022年5月26日 

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    開催年月日: 2022年5月26日 - 2022年5月27日

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Extrapolated difference Fourier map is an illustrative method to analyze light-induced structural changes in a photosynthetic membrane protein

    K Hashimoto, H Li, J-R Shen, M Suga

    Molecular movies international symposium 2022 

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    開催年月日: 2022年5月13日 - 2022年5月14日

    会議種別:ポスター発表  

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  • Effects of detergents on S-state transition and crystal quality of photoystem II.

    Y Nakajima, M Suga, J-R Shen

    The 63th Annural Meeging of the Japanese Society of Plant Physiologists 

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    開催年月日: 2022年3月22日 - 2022年3月24日

    会議種別:ポスター発表  

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  • An open-cubane oxyl/oxo mechanism for O=O bond formation in photosystem II revealed by X-ray free electron laser pulses

    菅倫寛, 秋田総理, 山本雅貴, 吾郷日出夫, 沈建仁

    第61回日本植物生理学会年会(新型コロナウイルスにより中止)  2020年3月19日 

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    開催年月日: 2020年3月19日

    会議種別:ポスター発表  

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  • 植物の膜輸送体タンパク質の構造生命科学 招待

    第3回クライオ電子顕微鏡活用促進オンラインワークショップ(国際構造生物学研究センター開所キックオフミーティング)

    2023年11月21日 

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  • Real-Time Structural Changes during the Light-induced water oxidation of Photosystem II. 招待

    Michi Suga

    UK-Japan meeting on dynamic and time-resolved crystallography 2023  2023年9月15日 

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    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Structural dynamics of the Mn4CaO5 cluster during the S2-S3 transition in photosystem II

    H Li, Y Nakajima, D Yamada, K Hashimoto, M Kubo, S Iwata, M Suga, J-R Shen

    The 5th International Forum on Quantum Metrology and Sensing  2022年11月29日 

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    会議種別:ポスター発表  

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  • イネ由来ケイ酸チャネルのケイ酸透過機構の構造研究

    齊藤 恭紀, 三谷-上野 奈見季, 斉藤 圭亮, 松木 謙悟, 黄 勝, 楊 霊麗, 山地 直樹, 石北 央, 沈 建仁, 馬 建鋒, 菅 倫寛.

    第17回 バイオミネラリゼーションワークショップ  2022年11月22日 

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    会議種別:ポスター発表  

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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. 招待

    齊藤 恭紀, 三谷-上野, 奈見季, 斉藤 圭亮, 松木 謙悟, 黄 勝, 楊 霊麗, 山地 直樹, 石北 央, 沈 建仁, 馬 建鋒, 菅 倫寛

    第22回 日本蛋白質科学会年会若手奨励賞シンポジウム  2022年7月8日 

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    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Extrapolated difference Fourier map is an illustrative method to analyze light-induced structural changes in a photosynthetic membrane protein 招待

    菅 倫寛

    Molecular movies international symposium 2022  2022年5月13日 

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    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • X線自由電子レーザーが明らかにする光化学系IIの水分解反応の分子機構 招待

    菅倫寛、中島芳樹、Hongjie Li、沈建仁

    第59回日本生物物理学会年会  2021年11月25日 

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  • X線自由電子レーザーによって明らかになった光合成光化学系IIの水分解反応 招待

    菅倫寛, 中島芳樹, 秋田総理, 沈建仁

    2020年12月4日 

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    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • X-ray free electron lasers reveal the molecular mechanism for water oxidation in photosystem II 招待

    Michihiro Suga

    11th International workshop on X-ray radiation damage to biological samples – RD11, online  2020年10月14日 

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    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • 結晶構造から紐解く光合成の酸素発生の反応機構 招待

    菅 倫寛

    第60回生物物理若手の会夏の学会(オンライン)、メインセミナーIII  2020年8月25日 

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    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Intermediate Si-state structures of photosystem II reveal the nature’s molecular mechanism for water oxidation. 招待

    菅 倫寛

    The 11th Inthernational workshop on X-ray damage to biological samples (RD11): Postponed due to Covid-2019  2020年3月25日 

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    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • An open-cubane oxyl/oxo mechanism for O=O bond formation in photosynthetic photosystem II revealed by X-ray free laser pulses. 招待

    菅 倫寛

    16th Conference of the Asian Crystallographic Association  2019年12月17日 

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    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(招待・特別)  

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  • Structure of the green algal Photosystem I-Light hearvesting complex I supercomplex 招待

    菅 倫寛

    NIPS EM Workshop  2019年11月26日 

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  • Intermediate Si-state structures of photosystem II reveal the molecular mechanism for water oxidation in nature 招待

    菅 倫寛

    3rd International Solar Fuels Conference (keynote lecture)  2019年11月24日 

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  • X-ray free electron laser reveals the molecular mechanism for water oxidation in nature 招待

    菅 倫寛

    International Workshop on Frontier of Science and Technology for Solar Energy Conversion  2019年11月5日 

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  • Structural changes of oxygen-evoving PSII during S-state transitions and a possible mechaniism for oxygen evolving reaction revealed by X-ray free electron laser pulses 招待

    菅 倫寛

    2019 ESP-IUPB world congress  2019年8月25日 

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  • 2019 ESP-IUPB world congress 招待

    菅 倫寛

    Joint Annual Meeting of 71st JSCB & 19th PSSJ  2019年6月24日 

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  • Crystal structure of PSII in the intermediate states and possible mechanism for the O=O bond formation. 招待

    Michi Suga

    第56回日本生物物理学会年会(招待講演)  2018年9月17日 

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    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

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  • Structure of oxygen evolving photosystem II and possible mechanism for the O=O bond formation. 招待

    菅 倫寛

    SACLA Users' Meeting 2018 (Invited talk)  2018年9月7日 

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    記述言語:英語  

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受賞

  • The Robin Hill Award

    2022年8月   国際光合成学会  

    菅 倫寛

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  • 日本光生物学協会奨励賞

    2020年8月   日本光生物学協会  

    菅 倫寛

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  • 日本植物生理学会奨励賞

    2017年3月   日本植物生理学会  

    菅 倫寛

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  • 岡山大学若手トップリサーチャー学長表彰

    2017年  

    菅 倫寛

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  • 文部科学大臣表彰 若手科学者賞

    2016年4月   文部科学省  

    菅 倫寛

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  • 岡山大学学長奨励賞

    2016年  

    菅 倫寛

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  • 日本生物物理学会若手奨励賞

    2015年   日本生物物理学会  

    菅 倫寛

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  • 日本蛋白質科学会若手奨励賞優秀賞

    2015年   日本蛋白質科学会  

    菅 倫寛

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  • 日本結晶学会進歩賞

    2015年   日本結晶学会  

    菅 倫寛

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  • アジア結晶学会若手奨励賞

    2009年   アジア結晶学会  

    菅 倫寛

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共同研究・競争的資金等の研究

  • 有害半金属のチャネルおよび輸送体における基質透過の分子基盤

    研究課題/領域番号:23H02450  2023年04月 - 2026年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    菅 倫寛, 三谷 奈見季

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    配分額:18720000円 ( 直接経費:14400000円 、 間接経費:4320000円 )

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  • 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  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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  • 酸素非発生型の光合成反応中心-アンテナ超複合体の高速分子動画解析

    研究課題/領域番号:22H04754  2022年04月 - 2024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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    菅 倫寛

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    配分額:11180000円 ( 直接経費:8600000円 、 間接経費:2580000円 )

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  • 土壌環境変動に応答する植物のミネラル輸送システムの可塑性の解明

    研究課題/領域番号:21H05034  2021年07月 - 2026年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(S)  基盤研究(S)

    馬 建鋒

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    担当区分:研究分担者 

    配分額:189280000円 ( 直接経費:145600000円 、 間接経費:43680000円 )

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  • ゆがんだイス型の触媒の立体構造が紐解く光化学系IIの水分解反応

    研究課題/領域番号:20H03226  2020年04月 - 2023年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(B)  基盤研究(B)

    菅 倫寛, 中島 芳樹

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    配分額:17810000円 ( 直接経費:13700000円 、 間接経費:4110000円 )

    光合成での水分解・酸素発生反応は光化学系II(PSII)内部のMn4CaO5クラスターが酸化状態を5段階(S0状態からS4状態へ)に順次変化させて触媒する。このうち,中間体S2状態は電磁性共鳴法により区別されるスピン状態の異なる2つの平衡状態があることが知られているが,構造解析されたのはスピン状態がS=1/2のもののみであり,スピン状態がS=5/2のものは解析されていない。そこで本研究ではPSIIのS=5/2のS2状態を調製して構造解析することを目指している。令和3年度は中間体状態が得ることを目的として,溶液のpHをアルカリ状態にしたものを調製して固定ターゲット法を用いて回折実験を行い,構造解析を進めた。光をあててS状態遷移させたもの、光を当てる前の状態のものなど複数の状態について調製してデータを収集した。解析の結果,溶液状態がアルカリ状態に変化したことに伴う立体構造の変化を確認することができた。また,時間分解シリアルフェムト秒構造解析を行ってS=1/2のものを室温で構造解析した。解析の結果,これまで凍結状態で確認されていたS=1/2状態での構造変化を確認したほか、新たに基質の水分子を取り込むためのチャネルと思われている水素結合のネットワークに変化が見られた。これは構造変化したところが水チャネルであることを示す証拠となるものである。この内容は論文にまとめIUCrJに発表した。

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  • 光合成反応中心とアンテナ複合体の超複合体の高速分子動画解析

    研究課題/領域番号:20H05446  2020年04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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    菅 倫寛

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    配分額:10400000円 ( 直接経費:8000000円 、 間接経費:2400000円 )

    光合成細菌の光合成反応中心(RC)は集光アンテナ複合体I(LH1)と超複合体をとっており、光エネルギーを高い効率で吸収して、電子伝達鎖を駆動し酸素非発生型の光合成の初発の反応を開始する。本研究ではLH1-RC超複合体を対象としX線自由電子レーザーを用いて時間分解シリアルフェムト秒結晶構造解析して励起後の構造解析を明らかにすることを目指し、LH1-RC超複合体の良質な微小結晶を作成することを第一の目標としている。
    2020年度は時間分解シリアルフェムト秒結晶構造解析に向けた、LH1-RC超複合体の良質な微小結晶を作成する条件を探索した。これまでの研究で1.9-A分解能の大型結晶が得らえているので、この条件の再現性の向上と結晶の小型化を進めた。結晶の品質の再現性は学内のX線源装置と放射光を用いてスクリーニングした。回折分解能は凍結条件の影響を受けやすいことがわかっていたので、沈殿剤の種類と濃度、溶液を交換する方法を検討した。その結果、2-A分解能で回折する結晶を2割程度の頻度で得ることができた。得られた結晶は空間群C2、結晶格子はa=145-A, b=144-A, c=208-A, beta=90.82 deg でこれまでに1.9-A分解能で解析した結晶と同じ空間群であるが、結晶格子は僅かに短くなっていた。シリアルフェムト秒結晶構造解析に向け、結晶のサイズを小さくするために研究代表者らの研究室で取り扱っている光化学系IIの微小結晶作成と同様の方法を試したが、均一なサイズの結晶は得られなかった。

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  • 量子ビームが拓く光合成膜タンパク質のマルチモーダル構造解析

    2018年10月 - 2022年03月

    JST  さきがけ研究 

    菅倫寛

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    担当区分:研究代表者 

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  • 光合成膜タンパク質のフェムト秒時間分解能での構造ダイナミクス

    研究課題/領域番号:17H05884  2017年04月 - 2019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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    菅 倫寛

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    配分額:13000000円 ( 直接経費:10000000円 、 間接経費:3000000円 )

    光化学系IIは光駆動の水分子の分解反応とそれに伴う分子状酸素の発生を行う,分子量70万にもおよぶ巨大な膜タンパク質複合体である。本研究では光化学系IIを中心とする巨大な光合成膜タンパク質複合体を対象として、光による励起後の構造変化をフェムト秒時間分解能で明らかにすることを目指している。研究代表者らはとくに光化学系IIの水分解・酸素発生の反応機構における原子基盤を明らかにすることを目的としてX線自由電子レーザーを用いた構造解析を行ってきた。これまでに反応開始状態に相当するS1状態および反応中間体に相当するS3状態を構造解析することに成功したので、この研究基盤を用いて光励起後の時間経過に伴う構造変化を捉えることを試みている。H30年度は結晶サンプルの調製方法を改良し大型化することで比較的簡便に結晶サンプルを供給する方法を確立することをめざした。なお、結晶化されたサンプルの観察およびその品質を迅速に評価する方法が必要であることを実感したので、新たに結晶観察装置などを購入した。最終的に,4点の多点測定が可能な量の結晶サンプルが供給できるようになったが,この方法で調製した結晶サンプルは分解能および同型性ともに従来の方法と比べて良くないことが判明している。従って,サンプルの供給方法は継続して改善する必要がある。研究課題は最終年度ではあるが,これからも根気強く精製スケールの大型化と回折データの改善を行って詳細な構造解析を完結させ、反応機構の詳細を明らかにして論文発表したい。さらに本研究課題で開発された構造解析手法を今後は他の光合成膜タンパク質にもこの手法を適用して構造解析を行うことを予定している。本年度は他の光合成膜タンパク質の一つであるFCPタンパク質の精製,結晶化,構造解析に成功したのでこれを論文発表した。

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  • 作物のミネラル輸送システムの統合解析

    研究課題/領域番号:16H06296  2016年04月 - 2021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  特別推進研究

    馬 建鋒, 山地 直樹, 宮地 孝明, 三谷 奈見季, 横正 健剛, 菅 倫寛, 櫻井 玄

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    配分額:536250000円 ( 直接経費:412500000円 、 間接経費:123750000円 )

    独自な膜小胞アッセイ法を用いて、幾つかミネラル輸送体の輸送基質を同定した。イネのアルミニウム耐性に関わる転写因子ART2を同定した。ART2を破壊すると、イネのアルミニウム耐性が低下したが、そのアルミニウム耐性への寄与はART1ほど大きくなかった。またART2はART1による制御を受けず、下流に異なる遺伝子を制御していた。オオムギのアルミニウム耐性遺伝子HvAACT1の発現制御機構を調べたところ、上流に少なくとも15.5kbの挿入が関与していることが分かった。またこの挿入の脱メチル化が遺伝子発現の向上に関与することを突き止めた。さらにアルミニウム耐性遺伝子OsFRDL4の発現制御に転写因子WRKY 22が関与することを突き止めた。
    輸送体遺伝子OsNIP1;1とOsNIP3;3をイネに過剰発現させると、イネのヒ素集積が大幅に低下した。また節で発現するABCC1遺伝子を特異的なプロモーター制御下に発現させると、種子中のヒ素濃度が有意に減少した。
    ソバからアルミニウム耐性に関わる輸送体遺伝子FeSTAR1とFeSTAR2を同定した。両遺伝によってコードされたタンパク質は複合体を形成し、ABC輸送体として機能することを明らかにした。
    作物のミネラル輸送体(ケイ酸輸送体、カドミウム輸送体、亜鉛輸送体、アニオン性小分子輸送体)の昆虫細胞を用いた大量発現・精製・結晶化と機能解析を行った。ケイ酸輸送体は昨年度に得られた結晶の条件を改善してX線結晶構造解析により立体構造を決定できた。得られた結晶構造からケイ酸輸送に関わる構造基盤を変異導入と機能解析によって明らかにした。重原子輸送体とアニオン性小分子輸送体について結晶化に十分な量と純度の試料を得ることができた。
    去年度までに完成させたミネラルの輸送に関する細胞スケールの3次元モデルと作物全体スケールのモデルを融合させ、ハイブリッドスケールモデルを開発した。

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  • X線自由電子レーザーを用いた光化学系IIの反応中間体の構造解析

    研究課題/領域番号:16H06162  2016年04月 - 2019年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(A)  若手研究(A)

    菅 倫寛, 沈 建仁

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    配分額:24570000円 ( 直接経費:18900000円 、 間接経費:5670000円 )

    光化学系II(PSII)の酸素発生複合体(OEC)の構造は高分解能で解析されている。しかし、 水分解反応の中間体状態に相当する構造は原子分解能では解析されておらず、反応機構への理解は限定的である。研究代表者らはPSIIの微小結晶を用いて、二閃光照射により励起させたPSIIの反応中間体S3状態を調製し、XFELを用いて構造を2.35A分解能で決定した。S1状態との差の電子密度より光励起によって起こる構造変化を確認した。OECの周辺では、これまで基質の候補とされていたオキソ酸素の一つであるO5近辺への新しい水分子O6の挿入が確認されたことからO5とO6がO=O結合を形成する反応機構を提唱した。

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  • 時分割シリアルフェムト秒構造解析法の開発と光化学系II複合体への適用

    研究課題/領域番号:15H01642  2015年04月 - 2017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)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    菅 倫寛

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    配分額:5980000円 ( 直接経費:4600000円 、 間接経費:1380000円 )

    光化学系IIは光駆動の水分子の酸化と酸素分子の発生を担う、分子量70万の巨大な膜タンパク質複合体である。この水分解・酸素発生の反応機構における原子基盤を明らかにすることは、生物の基本現象を明らかにするのみでなく、エネルギー問題や環境問題を解決する可能性があり、人工光合成研究にも大きく貢献することが期待される。
    初年度より光化学系IIの水分解の反応の解明をめざし、反応中間体状態を解析可能なX線自由電子レーザーをもちいたシリアルフェムト秒結晶学の開発と光化学系IIのサンプルの条件検討を行ってきた。本年度はサンプルかの回折分解能を大幅に改善する事に成功した。その結果、X線自由電子レーザー施設SACLAを用いて、サイズが100um程度の非凍結の小さな結晶に対し室温にて閃光を二発照射してS3状態へと励起させた回折データを収集して、2.35A分解能で構造解析した。構造解析の結果、S1状態からS3状態への遷移にともない、Mn原子の動きと周辺の配位子の構造変化がみられた。さらにMnクラスターからの水分子を含む水素結合ネットワークが分断されるとともに、酸素発生する触媒部分に新たな水分子に相当する電子密度の挿入が確認された。これにより酸素が発生する直前の構造を明らかにし、この新たな水分子が基質となる反応機構を提唱した。またMnクラスターだけでなく、電子授与体側においても構造変化を確認した。これらの成果は論文発表した。

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  • 超高輝度極端パルスXFEL光を用いた光化学系II複合体の無損傷結晶構造解析

    研究課題/領域番号:26840023  2014年04月 - 2016年03月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)  若手研究(B)

    菅 倫寛

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    配分額:4160000円 ( 直接経費:3200000円 、 間接経費:960000円 )

    光化学系IIの結晶構造は放射線損傷を受けていることが指摘されていた。そこでSACLAのX線自由電子レーザー(XFEL)と何百の巨大で同型な結晶を用いてS1状態における無損傷構造を1.95A分解能で解析した。XFELによって決定したOECではMn-Mn原子間の距離がこれまでの結晶構造よりも0.1-0.2A短くなっていた。構造にもとづき,水分解反応の開始状態では酸素発生中心を構成するMnの価数はMn1が+3,Mn2が+4,Mn3が+4,Mn4が+3であることを明らかにした。これらの結果は水分解の反応機構を解明するための構造基盤を提供し, 水分解の人工触媒合成のための設計図ともなり得ると期待される。

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  • 光合成系Ⅱにおける水分解反応の学理解明

    研究課題/領域番号:24000018  2012年 - 2017年

    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, 野口 巧, 山口 兆, 庄司 光男, 菅 倫寛, 秋田 総理, 三野 広幸, 加藤 祐樹, 磯部 寛

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    配分額:519350000円 ( 直接経費:399500000円 、 間接経費:119850000円 )

    光合成光化学系II(PSII)による水分解反応の機構を解明するため、フェムト秒X 線自由電子レーザー(XEFL)を用いてPSIIのX 線無損傷構造を高分解能で解析し、天然状態のMn_4CaO_5クラスターの構造を解明した。さらにXFEL を利用して反応中間体のひとつS_3状態の構造を解明し、反応機構の解明に重要なO=O 結合の形成部位を明らかにした。得られた構造を元に理論計算を行い、可能な反応経路を明らかにした。そして赤外分光を中心とする分光法により、反応に伴う配位場や水素結合ネットワークの変化を追跡し、プロトン移動経路を特定した。

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  • 生体超分子チトクロム酸化酵素のプロトンポンプ機構と酸化還元機構の解明

    研究課題/領域番号:08J06358  2008年 - 2009年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費  特別研究員奨励費

    菅 倫寛

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    配分額:1200000円 ( 直接経費:1200000円 )

    チトクロム酸化酵素活性中心には完全酸化型状態において電子密度が存在することがわかっており、この電子密度をめぐっては20年以上も論争が続いている。この電子密度の決定は酸化還元機構を議論する上でも特に重要である。研究代表者らは昨年度にこの電子密度がハーオキサイドであることを発表したが、それに対し多くの反響と反論を得た。そこで本年度、研究代表者らは新たに回折実験を計画した。この実験はX線による異常分散効果を利用して、パーオキサイドに対する反論の矛盾点を指摘するものであった。実験には精度良い回折実験が必要であったが、これを様々な工夫により克服した。得られた結果はパーオキサイド説に対する反論を完全に否定するものであった。また研究代表者は前年度に得た1.4A分解能のX線回折データを用いて高分解能の構造解析を進めた。前年度から実施してきた、精度の高いFcを求めることを目的とした構造精密化を導入することで、原子モデルの結晶学的freeRを0.20から0.15に改善させた。この結晶系ではチトクロム酸化酵素は単量体の状態でパッキングしていたため、これまで得られていた二量体の構造と比較を行った。この比較から脂質がチトクロム酸化酵素の単量体と二量体の構造変化を制御していて、脂質分子が膜蛋白質の機能において特別な役割を果たすという、新しいモデルを提案することができた。さらに研究代表者は構造精密化後の座標中のカルボン酸の炭素原子-酸素原子間の距離からプロトン化状態を判別する方法を検討した。実験誤差をまったく含まないテストデータを用意し、このデータに対して構造精密化を行ってプロトン化状態の再現性を調べた。その結果、freeRが0.10を切る精度の高いFcのもとでは1.7A分解能でもプロトン化状態の判別が可能であることを示した。

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担当授業科目

  • アドバンスト学際基礎科学プレゼンテーション (2023年度) 特別  - その他

  • タンパク質結晶学 (2023年度) 後期  - 木3~4

  • タンパク質結晶学 (2023年度) 後期  - 木3~4

  • 先端研究インターンシップ (2023年度) 特別  - その他

  • 基礎生物学A (2023年度) 1・2学期  - 金3~4

  • 基礎生物学A1 (2023年度) 第1学期  - 金3~4

  • 基礎生物学A2 (2023年度) 第2学期  - 金3~4

  • 学際基礎科学国際セミナー (2023年度) 特別  - その他

  • 構造生物化学特論 (2023年度) 後期  - その他

  • 構造生物化学特論 (2023年度) 後期  - その他

  • 構造生物学演習 (2023年度) 通年  - その他

  • 構造生物学演習 (2023年度) 通年  - その他

  • 構造生物学特別演習 (2023年度) その他  - その他

  • 構造生物学特別演習 (2023年度) 通年  - その他

  • 生化学ⅢA (2023年度) 第1学期  - 金1~2

  • 生化学ⅢB (2023年度) 第2学期  - 金1~2

  • 生化学III (2023年度) 1・2学期  - 金1~2

  • 異分野基礎科学特論 (2023年度) 前期  - その他

  • 自然・環境科学教養・実践論 (2023年度) 後期  - 木7~8

  • X線及びクライオ電子顕微鏡構造生物学演習 (2023年度) その他  - その他

  • Basic Biology (2022年度) 第3学期  - 木3~4

  • Basic Biology (2022年度) 第3学期  - 木3~4

  • タンパク質結晶学 (2022年度) 前期  - 月3~4

  • 学際基礎科学プレゼンテーション2 (2022年度) 春季集中  - その他

  • 構造生物化学特論 (2022年度) 後期  - その他

  • 構造生物学演習 (2022年度) 通年  - その他

  • 構造生物学演習 (2022年度) 通年  - その他

  • 生化学ⅢA (2022年度) 第1学期  - 金3~4

  • 生化学ⅢB (2022年度) 第2学期  - 金3~4

  • 自然・環境科学教養・実践論 (2022年度) 後期  - 木7~8

  • 自然・環境科学教養・実践論 (2022年度) 後期  - 木7~8

  • 自然・環境科学教養・実践論 (2022年度) 後期  - 木7,木8

  • Basic Biology (2021年度) 第3学期  - 木3~4

  • Basic Biology (2021年度) 第3学期  - 木3~4

  • タンパク質結晶学 (2021年度) 前期  - 火3,火4

  • 基礎生物学実験 (2021年度) 夏季集中  - その他

  • 基礎生物学実験 (2021年度) 夏季集中  - その他

  • 学際基礎科学概論1 (2021年度) 前期  - 水1,水2

  • 学際基礎科学概論2 (2021年度) 前期  - 水1,水2

  • 教養生物学(動植物) (2021年度) 第1学期  - 金1~2

  • 構造生物学演習 (2021年度) 通年  - その他

  • 構造生物学特論 (2021年度) 前期  - その他

  • 生化学ⅢA (2021年度) 第1学期  - 金3,金4

  • 生化学 ⅢB (2021年度) 第2学期  - 金3,金4

  • Basic Biology (2020年度) 第3学期  - 木3,木4

  • タンパク質結晶学 (2020年度) 前期  - 火3,火4

  • 学際基礎科学概論1 (2020年度) 前期  - 水1,水2

  • 教養生物学(動植物) (2020年度) 第1学期  - 金1,金2

  • 構造生物学演習 (2020年度) 前期

  • 構造生物学演習 (2020年度) 通年  - その他

  • 構造生物学特論 (2020年度) 前期  - その他

  • 生化学ⅢA (2020年度) 第1学期  - 金3,金4

  • 生化学 ⅢB (2020年度) 第2学期  - 金3,金4

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社会貢献活動

  • 講師

    役割:講師

    岡山県立城東高校 2年次生課題研究  2024年1月10日

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    種別:研究指導

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  • 講師

    役割:講師

    岡山県立城東高校 2年次生課題研究  2023年10月4日

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    種別:研究指導

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  • 講師

    役割:講師

    兵庫県立大学  生命科学特別講義(夏季集中講義)  2023年8月30日 - 2023年8月31日

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    種別:出前授業

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  • モデレーター

    役割:コメンテーター, 司会

    日本学術振興会  第14回 HOPEミーティング  2023年2月27日 - 2023年3月3日

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    種別:講演会

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  • 講師

    役割:講師

    岡山一宮高校  課題研究合同発表会  2023年1月27日

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  • 講師

    役割:講師

    岡山県立城東高校 2年次生課題研究  2023年1月11日

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  • 講師

    役割:講師

    岡山県立城東高校 2年次生課題研究  2022年9月15日

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  • 文部科学省と国立大学附置研究所 個別定例ランチミーティング

    役割:出演, パネリスト

    2022年7月22日

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    種別:セミナー・ワークショップ

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  • 講師

    役割:講師

    岡山一宮高校 普通科課題研究  2022年6月24日

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  • 講師

    役割:講師

    岡山城東高校 高大連携事業「地域との協働による高等学校教育改革推進事業(グローカル型)連携協力」  2022年1月20日

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  • ラジオ出演

    役割:出演

    RSKラジオ  朝耳らじお  2021年12月1日

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  • 講師

    役割:講師

    岡山城東高校 高大連携事業「地域との協働による高等学校教育改革推進事業(グローカル型)連携協力」  2021年9月30日

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  • 講師

    役割:講師

    岡山一宮高校 普通科課題探究分野別発表会  2021年9月24日

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  • 未踏の領野に挑む、知の開拓者たち

    役割:取材協力

    国立大学附置研究所・センター会議  http://shochou-kaigi.org/interview/interview_98/  2021年9月

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  • 講師

    役割:講師

    岡山一宮高校 課題研究合同発表会  2021年1月29日

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  • 講師

    役割:講師

    岡山一宮高校 普通科課題研究  2020年9月25日

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  • 講師

    役割:講師

    第60回生物物理若手の会 夏の学校  2020年8月

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メディア報道

  • 岡山大学異分野基礎科学研究所の菅倫寛教授が国際光合成学会「The Robin Hill 賞」を受賞 インターネットメディア

    PR times  2022年8月

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  • 岡山大、イネの安定多収に欠かせないケイ酸チャネルの構造基盤を解明 インターネットメディア

    日経バイオテク  2021年11月

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  • [岡山大]イネの安定多収に欠かせないケイ酸チャネルの構造基盤を解明 インターネットメディア

    JIJI.COM  2021年11月

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  • 岡山大と東大、イネの安定多収に欠かせないケイ酸チャネルの構造基盤を解明 新聞・雑誌

    日本経済新聞  2021年10月

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  • 人工光合成へ岡大ら研究成果発表 テレビ・ラジオ番組

    NHKニュース  2019年10月

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  • 光合成で酸素を生み出す直前状態を解明 岡山大 新聞・雑誌

    朝日新聞  2019年10月

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  • 光合成で酸素できる仕組み解明 岡山大チームなど 人工光合成実現に光 新聞・雑誌

    毎日新聞  全国版  2019年10月

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  • 光合成で酸素生成過程の一端解明 菅岡山大准教授ら米科学誌に 新聞・雑誌

    山陽新聞  2019年10月

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