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2013年6月15日 (土)

光合成酸素発生反応の電子の振舞を量子アルゴリズムにより解明

2013/06/10 分子科学研究所
 
詳細は、リンクを参照して下さい。
 
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 自然科学研究機構分子科学研究所の
倉重佑輝助教、柳井毅准教授および
米国プリンストン大のGarnet Chan教授らの
研究グループは、高速量子アルゴリズムを
用いることで、光合成酸素発生反応中心
であるマンガンクラスタの電子の量子的
振る舞い(波動関数)をほぼ完全解の精度
で数値シミュレーションすることに成功
しました。
 
 水の分解により酸素を作り出す酸素発生
反応のメカニズムは、光合成の最大の謎
の一つとして知られています。
 
 謎を解く鍵を握るのは反応の活性中心
とされるマンガンクラスタの働きです。
 
 2011年に日本の研究グループにより
その鮮明なX線結晶構造が明らかにされた
ことから、近年、反応メカニズムの解明
に向けて急速な進展をみせています。
 
 本研究グループは今回、活性中心の
マンガンクラスタ中の電子の振る舞いを
量子力学方程式の解として精密に予測
しました。
 
 またその方程式の解から各マンガン
イオンの酸化状態など電子の様子に関する
基礎的知見を高い信頼性で明らかに
しました。
 
 各マンガンイオンの酸化状態は、
水2分子から4個の電子を引き抜いて酸素
を発生する能力と密接な関係にあり、
酸化状態の特定は反応メカニズムの解明に
極めて有力な情報を与えます。
 
 本研究では、分子を電子レベルの詳細さ
でコンピュータ上に再現する理論手法が
用いられています。
 
 電子運動の再現には量子力学が
用いられ、量子の重ね合わせ状態を
シミュレートする計算では100京
(10の18乗)個という天文学的な数の自由度
の情報処理を実現しました。
 
 この高速計算は、本研究グループで開発
を行ってきた基盤的計算技術と
ソフトウエアにより達成されました。
 
 これらの成果は、光合成酸素発生反応の
メカニズム解明に重要な知見をもたらし、
今後の光合成研究そして人工光合成の実現
に向け重要な指針になることが期待
されます。
 
 また、今回用いられた計算手法は、
生体中の金属酵素の触媒作用を飛躍的な
計算精度で解釈、予測するための強力な
基盤技術となるものです。
 
 本研究成果は、2013年6月9日
(英国時間18:00)に英国科学雑誌
「Nature Chemistry」のオンライン速報版
で公開されました。
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>光合成酸素発生反応中心である
>マンガンクラスタの電子の量子的
>振る舞い(波動関数)をほぼ完全解の
>精度で数値シミュレーションすることに
>成功しました。
 
 素晴らしい。
 
>これらの成果は、光合成酸素発生反応
>のメカニズム解明に重要な知見を
>もたらし、今後の光合成研究そして
>人工光合成の実現に向け重要な指針
>になることが期待されます。
>また、今回用いられた計算手法は、
>生体中の金属酵素の触媒作用を
>飛躍的な計算精度で解釈、予測する
>ための強力な基盤技術となるものです。
 
 人口光合成、近い将来実現するかも
知れませんね。

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