超高速イメージング技術が解き明かした光合成の謎!律速となっている反応はどこなのだろうか?

植物の光合成の反応を模した人工光合成は次世代エネルギーである水素を作り出すための一つの手段として注目されています。ですがなかなか向上しないのはその反応効率。原点である植物の光合成の謎を解明し、人工光合成の研究へ応用することで、反応効率を向上させようと研究が進められています。

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光合成と人工光合成

インペリアル・カレッジ・ロンドンとヨハネスケプラー大学の共同研究チームは、超高速イメージング技術を用い、植物の光合成のエネルギー移動を研究している。

植物は太陽の光を吸収し、化学反応を通じて、水と二酸化炭素から生命の燃料とも言える糖を作り出している。

この反応を光合成というが、現在、この現象を模した人工光合成の研究が盛んに行われている。

人工光合成では、水を分解しすることで酸素と水素にし、水素を燃料として用いる。

植物の光合成をよりよく理解することにより、人工光合成の効率を向上させるヒントを得られる可能性があるため、このような生命現象の解明は重要な課題となっている。

電荷分離

光合成では、Photosystem IIという酵素群がその反応を担っている。

植物に含まれる光のアンテナとも言える分子が光のエネルギーを吸収し、エネルギー的に励起され、そのエネルギーをPhotosystem IIを通じて、水から電子を抜き取り、化学反応に変換することで、糖を作り出している。

この励起されたエネルギーを化学反応に変換する過程で、電荷分離という現象が起こる。

この現象は物質の中の電子とそれに伴い発生した電気的な穴(正孔という)が空間的に離れる現象であり、水の分解の最初のステップである。

反応を遅くしている原因の論争

これまでこの電荷分離が、光合成の速度を決めている、いわば前反応中で一番遅い反応であり、光合成の効率を頭打ちにしているプロセスだと考えられていた。

2001年にPhotosystem IIのタンパク質構造が報告され、この構造によると実はそうではなく、電荷分離の速度よりも、光を吸収するアンテナからエネルギーを受け渡すところが、ボトルネックになっていると提唱された。

しかしながら、この仮説はこれまで実験的に実証されていなかった。

それもそのはず、この光合成の一連の反応はナノ秒、つまり10-9秒の単位で起こり、さらに電子の受け渡しや電荷分離はさらに早いピコ秒(10-12秒)というものすごく速い速度で起こる反応なのだ。

電荷分離は速く、受け渡しが遅い

そこで研究チームは、Photosystem IIにレーザー光を当て、電荷分離とエネルギーの受け渡しを超高速イメージング技術を用い、観測を行った。

その結果、水分解反応のための電荷分離は比較的速く起きるが、光を吸収し、受け渡す過程が遅いということが明らかとなった。

長い間論争されてきた光合成の律速反応。

これが明らかにされることにより、人工光合成の効率が飛躍的に向上することが期待される。

研究業界で一つの流行となっている人工光合成。トヨタが水素を燃料とした燃料電池車を推し進めていることから、水素の需要が増加すると考えられ、積極的に研究開発が進められています。水素は爆発性のガスですが、爆発するということはそれだけ高いエネルギー量をもっており、燃料電池として用いると水が排出されるだけというクリーンな使い方ができることから、注目されているわけです。

近年では自然界の生物の機能を模倣したバイオミミクリーという研究が盛んに行われており、この人工光合成も植物の光合成を模倣していることから、一種のバイオミミクリーということができるでしょう。もちろん使用している物質やら構造やらは全く異なっているのですが、基本的な原理は似通っており、どちらかの研究が進むと、もう一方も進む可能性は十分に考えられます。

現在ではあらゆる研究分野が類似したターゲットに対して研究を行なっているため、一つの研究分野にのみ集中して学ぶよりも、様々な研究分野を広く学ぶことは研究を進める上で重要なことでしょう。SIGではできる限り広く研究分野を扱うようにしているので、将来的には様々な研究に触れるポータルサイトとして利用してもらえるように頑張っていきたいなと思います。

元記事はこちら(First movie of energy transfer in photosynthesis solves decades-old debate)

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