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 理科の教科書にも載っている「光合成」。その仕組みを探る研究には1世紀以上の歴史があり、10個のノーベル賞が贈られてきた。近年は、難関とされていた水を分解する過程が、日本の研究によって明らかになりつつある。

 水と光と二酸化炭素から、酸素と炭水化物を作る植物の働き――。教科書などで、このように説明される光合成。より詳しいメカニズムを解明しようと、研究が進む。

 兵庫県佐用町にある理化学研究所の自由電子レーザー「SACLA(サクラ)」。岡山大の沈建仁教授らは、葉緑体の中心部にレーザー光を当て、光合成の反応が進む様子を調べている。1フェムト秒、つまり1兆分の1秒のさらに千分の1というきわめて短いパルス状の光を、カメラのストロボのように使い、瞬時に進む反応を「コマ撮り」するのだ。

 調べているのは、根から吸い上げた水の分子を取り込んで酸素と水素イオンと電子に分解する「PS2」(光化学反応2)と呼ばれる過程だ。光合成の一連の反応の中で、長年その仕組みが未解明だった難関に迫ろうとしている。

 解明の糸口が見つかったのは2011年。PS2の反応を担うたんぱく質の中心部にある触媒分子「マンガンクラスター」の構造を、大阪市立大の神谷信夫教授とともに突き止めた。

 マンガン、カルシウム、酸素の原子が連なり、原子と原子の結合距離が不ぞろいなためにユニークな形をしていることから、「ゆがんだ椅子」と名づけられた。同じ佐用町にある世界有数の大型放射光装置「SPring―8」が、この研究に使われた。

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 光合成の主な反応には、(1)根から吸い上げた水を酸素と水素イオンと電子に分解する光化学反応(2)電子を使ってATP(アデノシン三リン酸)を作る反応(3)ATPを使って大気中の二酸化炭素を糖に変えるカルビン回路の三つがある。

 沈・神谷グループの研究は(1)のメカニズム解明につながるもので、その成果はノーベル賞級とされている。

 光合成に関する研究には、これまでに計10個のノーベル化学賞が贈られた。20世紀前半は、光の吸収過程が盛んに研究された。葉緑体に含まれる色素のクロロフィルやカロテノイドの構造や精製など、5つの研究が受賞した。

 20世紀後半になると、ほかの反応過程に研究の焦点が移った。カルビン回路の発見で1961年に、光を使った反応を担う光合成細菌のたんぱく質の構造解析で88年に、糖の合成に欠かせないATPの合成反応の解明で97年に、それぞれノーベル賞が贈られた。

 PS2の研究は1990年ごろを境に、研究対象が光合成細菌から植物へと広がった。

 光合成細菌の場合、光を使った反応に関わるたんぱく質は、比較的単純な構造をしているが、植物は小さなたんぱく質が20個で構成される複雑な構造だ。含まれる原子の位置をすべて特定するには精度の高い実験が必要で、難航した。

 独、英のグループとの10年以上にわたる競争のすえ、日本がたんぱく質の結晶の質の向上に成功。沈さんの研究室の大学院生だった川上恵典さん(現・大阪市立大特任准教授)が結晶作成に使う薬品を選ぶ際、効果が強すぎるのでだれも使わない薬をあえて試して生まれた成果だった。

 SPring―8の強い放射光の特質を生かした構造解析は、おもに神谷さんらが担当。巨大たんぱく質の中に含まれるマンガンクラスターの構造が明らかになった。

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 「ゆがんだ椅子」は、光を吸収するごとに形を変え、5段階で元に戻る。1回転ごとに、水分子2個から、酸素分子1個と水素イオン4個、電子4個に分解する。

 「ゆがんでいるので、構造が容易に変化する。構造の不安定さが触媒機能の背景にあり、周囲の大きなたんぱく質分子がその機能の維持に役立っている」と沈さん。自然が長い年月をかけて培った、複雑で精妙な仕組みだ。

 最新の成果では、三つ目の段階で触媒が酸素原子を一つ取り込み、これがその後、環境中に放出されることがわかった。

 ライバルの米ローレンスバークレー国立研究所のチームも、自由電子レーザーを使い、同様の実験結果を少し遅れて発表した。米チームはカルビン回路の発見でノーベル賞を受賞したメルビン・カルビン博士の系譜をくむ研究室だが、現在のリーダーは日本人。競争によって、今後さらに詳細が解明される日も近そうだ。

 光合成をめぐっては、エネルギー問題や地球温暖化対策の切り札として、「人工光合成」への応用研究を国が推進している。ただ、細胞内と同じ構造を人工的に作り込んだとしても、生体内と同じ機能を持つとは限らないという。

 生体内で反応が持続するのは、分子を壊しては修復する生命維持機能が細胞に備わっているからだ。「生体の持つ複雑な仕組みも含めて、完全に自然を模倣した人工光合成を実現するのは不可能に近い。別のアプローチが必要だ」。神谷さんは、そう語る。

 (嘉幡久敬)

 <地球温暖化対策で注目> 地球温暖化対策として、生物の光合成を活用した技術が注目されている。ミドリムシもその一つ。煙突から排出される二酸化炭素や下水処理場の下水で培養すれば、温暖化対策に生かせるほか、資源の有効活用にもつながる。航空機燃料を作るプロジェクトも始まっている。

 <訂正して、おわびします>

 ▼4日付科学の扉面「光合成 水の分解に迫る」の記事で、本文中に「酵母」とあるのは「光合成細菌」の誤りでした。確認が不十分でした。

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