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光合成の「ハッキング」が、再生可能エネルギーの新しい発電方法につながる可能性

光合成は、植物、藻類、および一部のバクテリアが二酸化炭素と水を酸素と糖に変換するプロセスであり、エネルギーとして使用するために光を利用する。これを行うには、有機体は光を吸収し、水から電子を取り出して酸化し、二酸化炭素分子に電子を与えて還元する。これらの化学反応には、クロロフィル(葉緑素)という色素を含むタンパク質複合体である光化学反応が、異なる分子間で電子を転送する必要がある。

3月22日に『Nature』誌に掲載された新しい研究では、Ultrafast Transient Absorption Spectroscopyという新しい技術を使用して、光合成が1兆分の1秒(0.000000000000001秒)の時間スケールでどのように機能するかを初めて調べた。この研究で、そもそも研究者たちは光合成をより理解するためにキノン(化学プロセス中に電子を盗むことができる環状分子)がどのように影響するかを調べようとしていたが、代わりに、光合成中に電子が放出される時間が、これまで科学者たちが考えていたよりもはるかに早いことが分かったのだ。

「私たちは、すでに分かっていることを確認するために新しい技術を使っただけだと思っていました。その代わりに、全く新しい経路を発見し、光合成のブラックボックスをもう少し開けたのです」と、」と、研究の共著者で、英国ケンブリッジ大学の光合成を専門とする生化学者、Jenny Zhang氏は声明で述べている。

光合成中に使用される2つの光化学反応は、光化学系I(PSI)光化学系II(PSII)だ。PSIIは、水分子から電子を取ることで主にPSIに電子を提供する。PSIは、電子をさらに励起させ、複雑なステップを経て最終的に炭素二酸化ガスに与えられて糖を作り出すために放出する。

これまでの研究は、PSIとPSIIのタンパク質の足場が非常に厚いことを示唆しており、必要な場所に渡される前に電子を保持するのに役立っていると考えられていた。しかし、新しい超高速分光法の技術により、タンパク質の足場が想定よりも「漏れやすい」ことがわかり、光系内のクロロフィルによって吸収された光がほとんどすぐに電子を放出し、これにより予想よりも速く目的地に到達することを可能にする。これは、孤立した光系とシアノバクテリア内の「生きている」光系の両方で観察された。

「今回発見した新しい電子伝達経路は、まったく驚くべきものです。私たちは光合成について、思っていたほど知らなかったのです」と、Zhang氏。

この電子の漏洩は、光合成についての私たちの知識を書き換えるだけでなく、将来の研究やバイオテクノロジー応用の新しい道を開く画期的なものだ。研究者たちは、光合成を「ハッキング」して、これらの電子をより早い段階で放出することにより、より効率的に作用させられる可能性がある。これにより、太陽光に耐性がある植物が生産されたり、再生可能エネルギー源が人工的に作り出されて気候変動に対抗するのに役立つかも知れない。しかし、これが実現する前に、さらなる研究が必要だ。

「多くの科学者が光合成の早い段階から電子を抽出しようと試みましたが、エネルギーがタンパク質の足場に埋まっているため不可能だと言いました。私たちは、より早い段階でこれらの電子を盗むことができる(かもしれない)ことは、驚きです」とZhang氏は語っている。


論文

参考文献

研究の要旨

光化学反応IIとI(PSII、PSI)は、光合成の光反応を駆動する反応中心を含む複合体である。PSIIは光駆動で水の酸化を行い、PSIはさらに収穫した電子を光励起する。光合成の効率は非常に高いため、バイオマス変換効率の向上やH2発生、CO2固定などの新しい反応経路を生み出すために、光合成を「再ワイヤー化」する生物的、人工的、バイオハイブリッド的なアプローチが広く行われてきた。これまでのアプローチでは、光合成系の末端電子受容体における電荷抽出に着目していた。しかし、反応中心が光化学系内に4nm以上埋まっている場合、熱力学的に大きな効果が得られないと考えられていた。今回、我々は、in vivo超高速過渡吸収(TA)分光法を用いて、生きたシアノバクテリア細胞や単離した光化学系、および外来電子メディエーターである6-ジクロロ-1,4-ベンゾキノン(DCPQ)やメチルビオロゲンなどの光励起したPSIIから直接電子を取り出すことを、早い時点(励起から数ピコ秒後)において示した。我々は、これらのメディエーターが、光励起後に高度に非局在化した電荷移動状態にある周辺のクロロフィル色素を酸化すると仮定している。この結果は、光励起された反応中心が光化学系タンパク質の足場内で絶縁されているという従来のモデルを覆し、バイオテクノロジーや半人工光合成のために光合成を研究し再構築する新しい道を開くものである。

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