SLAC国立加速器研究所とローレンスバークレー国立研究所（バークレーラボ）の研究者ら（スウェーデン、ドイツ、英国の共同研究者）が、光合成の最終段階について、新たな知見を得ることに成功した。植物に含まれるタンパク質複合体である光化学系IIが、酸素原子を1つ余分に失う変化を起こす様子を原子レベルで詳細に観察することに成功したのだ。研究者らは、この発見がクリーンなエネルギー源を最適化するためのロードマップになると考えている。「光化学系IIに関する考え方が変わるかもしれません」と、論文の共著者であるウィスコンシン大学マディソン校の科学者兼教授のUwe Bergmannは述べている。

研究者らは、このプロセスのさまざまな段階（室温）を「極めて高解像度な画像」で撮影し、酸素がどこでどのように生成されるのかについて、新たな知見を得ることができた。SLACはこのプロセスを、野球で例えて説明している。「中心部は、太陽光を浴びると、S0からS3という4つの安定した酸化状態を繰り返します。野球のグラウンドで言えば、S0はホームベースの選手が打席に立つ準備に入るゲームの開始時です。S1〜S3は、一塁側、二塁側、三塁側の選手です」。この比喩に基づけば、打者が接触してランナーを進めることは、複合体が太陽光の光子を吸収することを意味する。「4球目を打つと、その選手はホームに滑り込み、1点を獲得し、光化学系IIの場合は呼吸可能な酸素を1分子放出するのです」。2個の酸素原子が結合して酸素分子を放出する、この最終段階（S4、この比喩では三塁からホームに滑り込むまでの間）を、彼らは初めて画像化し、これまで見えなかったさらなる段階を明らかにしたのだ。

以下のビデオは、チームのプロセスや発見を説明しています。

「呼吸可能な酸素を作り出すプロセスのほとんどは、この最後のステップで起こっています」と、バークレーラボの科学者で、Nature誌に掲載された論文の共著者であるVittal Yachandra氏は述べている。「しかし、光化学系IIのさまざまな部分でいくつかのことが起こっており、反応を成功させるためには、それらがすべて最終的に組み合わされる必要があるのです。野球で、ボールの位置や塁審と野手の位置などの要素が、選手がホームベースに到達するまでの動きに影響を与えるように、触媒中心の周りのタンパク質環境は、この反応がどのように行われるかに影響するのです」。

研究者らは、今年末のX線アップグレードで、このプロセスにさらに光が当たることを期待している。この実験では、1秒間に120回のパルスが使用されたが、1秒間に100万回のパルスが使用される予定だ。「これらのアップグレードにより、数日分のデータをわずか数時間で収集することができるようになります。また、軟X線を使って、システム内で起きている化学変化をさらに理解することができるようになります。これらの新しい機能は、この研究を前進させ、光合成に新しい光を当て続けるでしょう」。

研究チームは、この結果が、「光合成を模倣して自然の太陽光を利用し、二酸化炭素を水素と炭素系燃料に変換する人工光合成システムの開発に役立つ」と考えている。もう一人の共著者でバークリー研究所の科学者であるJan Kern氏は、「自然がどのようにそれを行っているかを知れば知るほど、クリーンで持続可能なエネルギー源としての人工光合成のアイデアを含む、人間が作るプロセスで同じ原理を使うことに近づく」と語っている。

論文

• Nature: Structural evidence for intermediates during O₂ formation in photosystem II

参考文献

• SLAC National Accelerator Laboratory: Researchers capture elusive missing step in the final act of photosynthesis

研究の要旨

自然の光合成では、光によって水が電子、プロトン、酸素分子に分解され、太陽から化学エネルギーへの変換プロセスの最初のステップを形成する。この反応は光化学系IIで行われ、Mn₄CaO₅クラスターはまず、反応中心で光電荷分離により順次生成する4つの酸化当量（コックサイクルにおけるS₀からS₄の中間状態）を貯蔵し、O-O結合形成化学を触媒する。今回、我々は連続フェムト秒X線結晶構造解析による室温スナップショットを報告し、Kokの光合成水酸化サイクルの最終反応段階であるS3→[S4]→S0遷移でO₂が生成されKokの水酸化時計がリセットされる構造的洞察を提供した。Mn₄CaO₅クラスター、その配位子、水経路の変化、Cl1チャネルの水素結合ネットワークによるプロトン放出の制御など、マイクロ秒からミリ秒の間に起こる複雑な一連の事象が明らかになった。重要なのは、S2→S3遷移の際にCaとMn1の間に架橋配位子として導入された余分なO原子Oxが、3回目のフラッシュ後約700μsからYz還元と並行して消失または移動していることである。Mn1-Mn4間距離の短縮が示すように、O2発生の開始は約1,200μsで起こり、還元された中間体（おそらく結合した過酸化物）の存在を意味する。