光合成の酸素発生の反応機構～人工光合成触媒の糸口を求めて～
菅 倫寛
岡山大学異分野基礎科学研究所
附置研ランチョンミーティング
Jul 22th 2022

光合成で発生する酸素が生物の進化を牽引した
冥王代

太古代

原生代
多細胞生物

炭酸ガス

真核細胞生物

顕生代
裸子植物
針葉樹
シダ植物

酸素

哺乳類

恐竜
脊椎動物
非脊椎動物

酸素発生型光合成生物の誕生

ラン藻
生物の誕生

(Kasting 1993)

光合成は光エネルギーを生物に有用な形へと変換するプロセス

生物は高効率で安価、温和な条件で反応を触媒する仕組みを持つ+CO2糖（化学エネルギー）

ATP NADPH
光化学系II

2H2O

lightOEC光合成
O2 + 4H+ +4e-

H2 燃料, 有機物

人工光合成

光化学系IIの構造はクリーンな代替エ
ネルギー技術のカギを握っている

4生物のスケール（と異分野基礎研が取り扱うスケール）

光化学系IIなどの蛋白質は可視光の波長よりも小さく、X線や電子線を用いて構造解析する必要がある
引用元 LIFE 9e ©2011 Sinauer Associates, Inc.

タンパク質の立体構造解析の流れ

クライオ電顕引用元: http://academist-cf.com/journal/?p=2958 を一部改変

光化学系IIの結晶

放射光施設 SPring-8 兵庫県

光化学系IIの全体構造と酸素を形成する触媒の部分（2011年に発見）

Umena Y et al. Nature 2011

ゆがんだイス8サイエンス誌・２０１１年１０大発見に選出
３.光合成による水分解反応
Science, Breakthrough of the Year 2011
(Science 2011, 334, 1630)

サイエンス誌の評価 (Science, 2011, 334, 1630)
This structure isn’t just essential for life; it may also
hold the key to a source of clean energy.
この構造は単に生命の本質であるだけでなく、クリーンエネルギー源のカギとなるかもしれない。
PSII’s structure offers a window into a catalyst
that is essential not only for past and present lifeon Earth but also perhaps for the future ofcivilization.
PSII（光化学系II）の構造は地球上の過去、現在の生命だけでなく、将来の文明社会にも不可欠な触媒への展望を開いた。

ゆがんだ触媒部分の特徴と構造から推察される反応機構

O2 + 4 H+ + 4 e- ?

単位はÅ（オングストローム）
1Å=1cmの1億分の1の長さ
Umena Y et al. Nature (2011)
Suga M et al. Nature (2015)11光化学系IIで酸素が形成される反応機構
光酸素, O2

反応の「始まり」
S1状態？
光

酸素の発生
水分子, H2O？

Si状態モデル？
光光？

触媒は温和な条件下で、光を吸収して少しずつ形を変え（10億分の1cm程度）酸素を形成する力を蓄える

触媒構造の僅かな変化を検出するため量子ビームの技術（X線自由電子レーザー, XFEL）を使用
XFEL施設SACLA, 兵庫県
2012年供用開始

SACLAのレーザーＸ線の1パルス
発光時間
10フェムト秒
Ｘ線の量
3.5 x 1010個
Ｘ線による生体試料の損傷は光電効果によって発生する光電子がさらに水と反応して生成するラジカルなどによって起こる（ピコ秒単位）

壊れる前に回折現象が起こる
Neutze R et al. Nature (2000)

量子ビームXFELの技術を用いて放射線損傷の無い酸素発生触媒の形を決定

Suga M et al. Nature (2015)

光化学系IIを1.95 Åの高い解像度で解析（2015年）

放射線損傷のない触媒構造からわかったこと：
触媒の全体的な形は同じであるが、原子間の距離がわずか変化
XFEL 構造

放射光構造

Suga M et al. Nature (2015)

全てのマンガンとマンガンの距離は放射光で解析された触媒の構造よりも0.1-0.2 Å短い15

これは水分解の反応部位ではないか？

O2 + 4 H+ + 4 e-

正確な構造から見えてきた触媒の特異な性質

16

O5とMnの距離が長い事からO5が酸素分子の材料（基質）となる反応機構が考えられた

O5

そのような反応機構が本当に機能するのか？

Open cubane

Closed cubane

O5のまわりには十分なスペースがないが、もうひとつの水分子はどのようにして供給されるのか？
反応中間体の構造がなく、これらの問いに答えることができなかった

Suga M et al. Nature (2015)17

酸素を形成する反応の「途中」を捉えるために2015年に用いた結晶

2017年に用いた結晶

100μm①小さい光化学系IIの結晶に励起光を2発当て酸素形成の「直前」まで進ませた②XFELをあてて立体構造を解析した

励起光

結晶の流れ
励起光

XFEL
18

酸素発生の触媒構造の変化（2017年）

新しい水（酸素原子）の発見

Suga M et al. Nature (2017)

ゆがんだイス型の触媒のかたちの変化（2017年）
反応の「始まり」の状態
S1状態
Mn4CaO5クラスター

反応の「途中」の状態（酸素が発生する直前）
S3状態
Mn4CaO6クラスター

O5とO6の化学的構造を巡る活発な議論を沸き起こすことになった。
20
Suga M et al. Nature (2017)

２０１７年の解析ではO5とO6との距離とその化学的な性質が不明であり，４つの可能性があった。
Hydroxo/oxo: -O/OH-

Peroxo: -O-O-

〜2.4
2.3ÅÅ

Oxyl/oxo: -O/O

1.4ÅSuperoxo: O=O-

2.0Å
1Å(オングストローム)=1cmの1億分の1の長さ

1.3Å
Isobe H et. al. Inorg. Chem. (2017)

固定ターゲット無損傷タンパク質結晶構造解析法の利用
2017年の方法

励起光

2019年の方法

結晶の流れ
励起光

XFEL

解像度が2.15Åに改善し，詳細な比較ができた

明らかとなった酸素原子O5とO6の距離および化学的性質
Superoxo: O=O1.3 Å

Peroxo: -O-O1.5 Å

Oxyl/oxo: -O/O
1.9 Å

赤色と緑色のケージは解析のエラーを表す。
O5とO6の距離を1.9Åとした時にエラーが最も小さいことが判明し，O5とO6の化学的な性質が世界で初めて明らかになった。
Hydroxo/oxo: -O/OH2.4 Å
1Å(オングストローム)=1cmの1億分の1の長さ

Suga M et. al. Science (2019)酸素形成の反応における触媒構造の変化

S1

S2

S3

酸素分子を形成するふたつの酸素原子O5とO6の化学構造、および水を運び入れるための経路が明らかになった。

Suga M et. al. Science (2019)光合成の酸素形成反応の道筋が明らかに生物の生存を支える水分解触媒