光合成による水分解メカニズム解明に向かって大きく前進

光合成による水分解メカニズム解明

に向かって大きく前進

―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が

明らかに―

2013年12月11日

独立行政法人理化学研究所

詳細は、リンクを参照して下さい。

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ポイント

〇植物体内を忠実に再現した約120万原子

　の分子動力学シミュレーションを実行

〇酸素発生中心（OEC）を取り囲む

　タンパク場の効果（ダイナミクス）を

　明示

〇天然光合成メカニズムの解明と

　人工光合成デバイス開発の加速

　に期待

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要旨

　理化学研究所は、

分子動力学シミュレーション[1]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

しました。

　これにより、光合成による

水分解メカニズムの解明に向かって大きく

前進しました。

　これは、理研イノベーション推進センター

（藤田明博センター長）中村特別研究室の

中村振一郎特別招聘研究員、

緒方浩二研究員、

畠山允リサーチアソシエイトらの

研究チームによる成果です。

　光合成の初期過程を担う膜タンパク質

「PhotosystemⅡ（PSⅡ）」[2]は、

太陽光エネルギーを利用して水を酸素と

電子、水素イオンに分解する反応

（酸化反応）を行っています。

　その立体構造はX線結晶構造解析で決定

され、酸素発生中心（OEC）などの詳細な

構造も明らかになっています。

　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ますが、

その動的メカニズムの詳細は不明なまま

です。

　PSⅡタンパク質はチラコイド膜[3]と

呼ばれる植物特有の生体膜上に存在して

います。

　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

を作成しました。

　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[4]を

量子化学計算によって作成し、モデルに

組み込みました。

　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ました。

　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ました。

　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

なりました。

　この成果は、天然光合成のメカニズムの

全容解明や人工光合成デバイスの開発に

つながると期待できます。

　本研究成果は、米国の科学雑誌

『Journal of the American Chemical

Society』（2013年135号）に

掲載されました。

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　光合成研究はパナソニックが精力的に

実施しているようですが、理研も一定の

成果をあげたようです。

＞今回、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

＞排出経路が明らかになりました。

＞これは、天然光合成のメカニズムの

＞全容解明への第一歩といえます。

　まだ第一歩なんですね。

　まだまだ先は長そうです。

　こちらは、太陽光エネルギーを利用して

水を酸素と電子、水素イオンに分解する

反応（酸化反応）

　の解明のようです。

　パナソニックは同じ光合成といっても

光合成で有機物を合成するというもの

です。

　「パナソニック、人工光合成でメタン

　燃料電池に」

　2013年12月 9日

　どちらにしても、これから期待したい

技術です。