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理研、光合成のしくみ解明に一歩前進 代替エネルギー開発のヒントに期待

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理研、光合成のしくみ解明に一歩前進 代替エネルギー開発のヒントに期待

理化学研究所は、分子動力学シミュレーションを使い、光合成膜タンパク質への水の供給経路と酸素、水素イオンの排出経路を明らかにした。これは、天然光合成のメカニズムの全容解明や、光合成の初期過程を担う膜タンパク質「PhotosystemII(PSII)」による水の酸化反応のメカニズムを模倣した人工光合成デバイスの開発に貢献すると期待されている。

植物は、光合成により太陽光エネルギーを使って、水と二酸化炭素(CO2)から酸素とデンプンを作り出している。光合成は2段階に分かれ、1段階目は太陽光エネルギーを使って水を分解し、酸素と電子、水素イオンを作る(酸化反応)。2段階目は、電子と水素イオンを使って、CO2からデンプンを作る。1段階目の酸化反応を担っているのが、チラコイド膜と呼ばれる植物特有の生体膜上に存在する膜タンパク質「PSIIタンパク質」。

PSIIタンパク質は、20個のサブユニットを持つ複合体で、その立体構造は2011年に理研の大型放射光施設「Spring-8」を使ったX線構造結晶解析法で決定され、「蛋白質構造データバンク」に登録されている。また、立体構造からPSIIタンパク質内部の酸素発生中心(OEC)などの詳細な構造も明らかになっている。

OECでは、Mn4O5Ca錯体と周りの残基(重合体の主鎖以外の部分)が協調することにより、周期的な5つの状態を経て水の酸化反応が行われているが、その動的メカニズムの詳細はまだ解明されていない。

天然光合成のメカニズム解明は、それを模した人工光合成デバイスの開発を加速し、石油に代わるエネルギー開発の大きなヒントとなると期待されており、その解明が急がれている。研究チームは、分子動力学シミュレーションや量子化学を用いて光合成のメカニズム解明に取り組み、光合成における水の供給経路と酸素、水素イオンの排出経路を探索する研究を進めてきた。

PSIIタンパク質は、チラコイド膜と呼ばれる植物特有の生体膜上に存在している。研究チームは、この膜を忠実に再現し、膜内にPSIIタンパク質を埋め込んだモデルを作成。また、シミュレーションに用いる全ての脂質やリガンド(特定タンパク質と結合する化合物)の力場パラメータを量子化学計算によって作成し、モデルに組み込んだ。

そして、原子数約120万個のモデルの分子動力学シミュレーションの結果を解析したところ、PSIIタンパク質内部から外に排出される水と、外からPSIIタンパク質内部に取り込まれる水の動きが観察された。さらに詳しく調べると、アミノ酸の水素結合ネットワークの中にあまり動かない水分子がある経路が存在していた。これらの結果から、水の供給経路と酸素、水素イオンの排出経路が明らかになった。

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