【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　南後恵理子
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 光合成では、光化学系II^[1]と呼ばれる膜タンパク質複合体が光エネルギーを利用して、水分子から酸素分子を生成しています。
• フェムト秒X線自由電子レーザー^[2]を用いて、光化学系IIの"ゆがんだイス"型の触媒が水分子を取り込み、酸素分子生成の準備が完了するまでの一連の動きを捉えることに成功しました。
• 本研究成果は、光合成で水分子から水素イオンと電子を取り出す仕組みの解明だけでなく、光で水を分解するための人工光合成触媒の設計にも重要な指針を提供するものです。

【概要】

光合成は、光化学系IIが光エネルギーを利用して水分子から電子と水素イオンを取り出し、酸素を形成する反応から始まります。岡山大学異分野基礎科学研究所の沈建仁教授、菅倫寛教授は、東北大学多元物質科学研究所の南後恵理子教授（理化学研究所放射光科学研究センター チームリーダー）、高輝度光科学研究センターの大和田成起主幹研究員（理化学研究所放射光科学研究センター 客員研究員）、兵庫県立大学大学院理学研究科の久保稔教授らと共同で、光化学系IIの結晶に可視光を当てて反応を開始させた後に、X線自由電子レーザー施設SACLA ^[3]のフェムト秒X線を用いて、光化学系IIの"ゆがんだイス"型の触媒が水分子を取り込み、酸素分子生成の準備が完了するまでの一連の動きの立体構造をナノ秒（1ナノ秒は10億分の1秒）からミリ秒の時間スケールで捉えることに成功しました。その結果、光化学系IIの内部では、タンパク質、水分子、集光色素などがオーケストラのように協奏的に働き、水の移動や水素イオンの排出を進行させることがわかりました。この働きによって運動性が高まった水分子が、触媒に過渡的に結合した後、その内部へと取り込まれていく様子が初めて観測されました。これらの結果は、光合成において酸素分子が形成される反応の仕組みを明らかにするものです。特に、酸素の材料となる水分子が、いつ、どこを通って触媒まで到達するのか、という疑問に答えるものです。本研究成果は、英国時間1月31日午後4時（日本時間2月1日午前1時）、英国科学誌「Nature」に掲載されました。

本研究で明らかになった酸素分子を形成する仕組みは、光エネルギーを利用して水から電子と水素イオンを取り出して有用な化学物質を作り出す「人工光合成^[4]」の技術を開発するための重要な知見を与えると期待されます。

【用語解説】

注1：光化学系II
光合成反応では光化学系IIと光化学系Iと呼ばれる2つの膜タンパク質複合体がクロロフィルで受け取った光のエネルギーを効率よく利用して、光化学系IIは水から電子と水素イオンを取り出す反応を、光化学系Iは糖を合成するのに必要な強力な還元力を供給する反応を触媒する。

注2：X線自由電子レーザー（XFEL）
X線自由電子レーザーとは、X線領域におけるレーザーのこと。従来の半導体や気体を発振媒体とするレーザーとは異なり、真空中を高速で移動する電子ビーム（自由電子）を媒体とするため、原理的な波長の制限はない。また、数フェムト秒（1フェムト秒は1,000兆分の1秒、光が約0.3 µmしか進まない時間）の超短パルスを出力する。XFELはX-ray Free Electron Laserの略。

注3：X線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLA
理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本のXFEL（X-ray Free-Electron Laser）施設。2006年度から5年間の計画で建設・整備を進めた国家基幹技術の1つ。2011年3月に完成し、SPring-8 Angstrom Compact free-electron LAserの頭文字を取ってSACLA（サクラ）と命名された。2011年6月に最初のX線レーザーを発振、2012年3月から共用運転が開始され、その際光化学系IIは最初の実験ターゲットとして選ばれている。SPring-8の10億倍明るいX線を、10フェムト秒未満のパルス時間内で提供する。強いX線のために照射を受けた試料は破壊されてしまうが、照射時間が短いため、試料の損傷によるタンパク質の構造変化が起こる前に回折像を撮影することができる。その結果、X線の損傷を受けていないタンパク質の立体構造を決定することができる。

注4：人工光合成
光合成を人為的に行う技術のこと。ほぼ無尽蔵に供給される太陽光を利用して、地球上に豊富にある水を分解して水素ガスやその他の有用化合物を作ることができる。地球温暖化に対する環境負荷が大きい二酸化炭素の放出を伴わない、あるいは二酸化炭素を他の有用な化合物に変換することができるので、クリーンで再生可能なエネルギー源として注目されている。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授　南後　恵理子（なんご　えりこ）
TEL: 022-217-5344
E-mail: eriko.nango.c4*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所　広報情報室
TEL: 022-217-5198
E-mail: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）