〈特別研究課題〉 ナノ多孔質ガラス中で光合成タンパク質による
光誘起水素発生系の構築
助 成 研 究 者

名古屋工業大学出羽

毅久

ナノ多孔質ガラス中での光合成タンパク質による
光誘起水素発生系の構築
出羽 毅久（名古屋工業大学）

Light-Driven Hydrogen Production by Photosynthetic
Proteins Immobilized in Nanoporous Glass Plates
Takehisa Dewa
(Nagoya Institute of Technology)

Abstract：
Methods to efficiently produce clean energy, e.g., solar hydrogen, generated by sunlight must be
developed. Natural photosynthesis is a highly efficient system of light-energy conversion, which
provides high-energy products from sunlight and water through light reaction processes. There area lot of key elements that we have to learn from natural photosynthesis: strategies of lightharvesting, charge separation, and subsequent electron transfer to produce high-energy compounds,
e.g., NADPH equivalent to H2 . Photosystem I (PSI), a photosynthetic pigment-protein complex,
which consists of light harvesting, charge separation, and electron transfer elements, is a potential
candidate as a photosensitizer for a component of conversion system from light energy to highenergy compounds. However, oxygen molecules in such catalytic systems hinder reactions as aquencher and inhibitor. This would prevent practical use of light-induced H2 production systems. In
this study, we constructed photocatalytic systems immobilized in nanoporous glass plates, which
work efficiently. We demonstrate that nanoporous glass plate systems containing a Ru-complex and
PSI as photosensitizers function as light-driven hydrogen production systems.
1．はじめに
太陽光によるクリーンエネルギーの生産システムの開発と実用化は必ず達成されなければならな－ 1 －い課題である。小規模でも高効率な家庭用システムが実現できれば、住居/都市における環境や生活スタイルに革新的な変化が起こせると期待できる。光合成は非常に高効率な光エネルギー変換シ
タイル 革新的な変化が起こせると期待できる。光合は非常
効率 光エネルギー変換
ステムである。その明反応では光と水（電子供与源）を原料として高エネルギー物質（水素と等価）を

ム あ
その明反応 は
（電 供与源）として高エネルギー物質（水素と等生産している。この光反応はクロロフィルなどの色素とタンパク質の複合体により行われている。
を生産 て（PSI）
る。
こと光化学系II複合体(PSII)は光収穫、電荷分離、電子伝達機能を有する部品
光 応は ロロフィルな の色素とタンパク の複合体により われ
光化学系I複合体
光化 系
（ I
II 複
SII)は光収穫、電荷分離、電機
すから形成されており、光エネルギーから高エネルギー物質生産を担う重要な要素を含んでいる。近部品から形成されており、光エ ルから高エネルギー 質生産を う重要
含ん年、PSIに水素発生触媒部位を結合させた光誘起水素発生系が報告された１−３。しかし、系中に存
近年、PS に水 発生触媒部位させた光素発生系 報れ。
、在する酸素は光触媒反応を阻害することが問題である。光合成系では、PSIIが光エネルギーを利在酸素は 触媒反応 阻害 ることが問 で る。
、PSI
エ ル
を
用して水から電子を引き抜き、PSIに電子を供給しているが、このとき水の酸化により酸素が発生してを引き、 I にこ
化によする。PSI(カソード反応：水素発生)とPSII（アノード反応：水の酸化）を人工系で利用することに。 I ソ
生 と P （反工 で利より、光と水を原料とするクリーンな水素発生系の構築が期待できるが、発生する酸素に対する水光
生き、素発生系の耐性が大きな問題となる。この問題に取り組むために、本研究課題ではナノ多孔質ガラ
大。
組
多ス中に光合成タンパク質PSIなどからなる光誘起水素発生系を構築し、外部に存在する酸素によりI起阻害を受けない触媒反応系を開発した。まず、低分子光増感剤のルテニウム錯体(Ru(bpy)32+)を用いp 3た光触媒系について検討し、ナノ多孔質ガラス中に固定化することにより酸素存在下で均一溶液系と比較し約3000倍もの高い水素発生活性を有することが分かった。さらに、PSIを固定化したナノ
多孔質ガラスを作成し、高い酸素耐性を有する光誘起水素発生系が構築できた。
2．ナノ多孔質ガラス中でのルテニウム錯体/電子伝達体/水素発生触媒（ヒドロゲナーゼ）による光誘起水素発生光合成タンパク質(PSI)による検討を始める前に、低質
討
分子化合物のルテニウム錯体(Ru(bpy)32+)を光増感剤とす
ウ)2) 光
る水素発生系をナノ多孔質ガラス中に構築した（図１）。
す
を
ガラ
構 し
2.1 ナノ多孔質ガラス(PGP：図１a)
ナノ多孔質ガラス(nanoporous
PGP)は共1 ナノ質ガラス(P P glass
図１ plate:)
同研究者の神
哲郎博士（産業総合技術研究所）
ナノ多孔質ガラス(no or s g as に作成しl : PGて頂いたものを用いた。PGPの模式図を図１aに示す。
共同研究者 神 哲 博士（産業総合技術研究所
ナノ多孔質ガラスはホウケイ酸ガラスを熱処理により
作成して
た
を用い
GP 模式図 図
SiO 2 相とBに示す2 O 3 -Na
ノ2 O相に相分離させ、酸処理により後孔 ガラスは ウケイ酸ガラスを熱45
者を溶出させることにより内部に細孔が形成される理に り S O 相と O -Na O 相に相分離させ 酸処。

このプレート状のナノ多孔質ガラス中の細孔径は制御り後者を溶出させるこり内部に細孔が形可能で、本研究では細孔径50 nmのもの(PGP50)を用い
図1．ナノ多孔質ガラス(a)とナノ細孔内での光誘される 4 5。 のプレート状のナノ多孔質
た。細孔体積および内部表面積はそれぞれ0.323
mL/g、
ノ多孔質ガラスa 3 : 光増感剤、ノ細孔
起水素発生系(b).
Ru(bpy)
2細孔径
中
能で、
研究で
細孔径
50
MV:
メチルビオロゲン（電子伝達体）ド35.194 m /gであった。興味深い特徴は、細孔がプレー
素発生系(b) R bp )3: 光増 ヒ剤

m もの5 ) 用い 。細孔体 およ 内
トの一方の面から反対の面に貫通している点である。
部表面積はそれぞれ 0 3 mL/g、 5 1 4 m
PGPは乾燥状態では光散乱により白色であるが、水溶液に浸漬すると透明になり、可視領域の光を透過する。

－ 2 －ロゲナーゼ：水素発生触媒

2 ナノ細孔内への触媒成分の固定化
2 ナノ細孔内への触媒成分の固定化
図 、図２c）
-7
2.2
メチ
ロゲン
( ) （図1b、図２a
水素
2+ +
光増感剤
て Ru(bpy)
電子伝達体
光増感剤としてRu(bpy)
3 3(R)、電子伝達体
触媒として
型ヒドロ
ナ
（
2 2+
とし
オロゲ
(M
)(M)、
素発
としてメチルビオロゲン(MVDv l i Mi )(M)、水素発
ki
を用い
触媒
て
NiFe
型ヒドロゲナ ゼ（H
生触媒として[NiFe]型ヒドロゲナーゼ
（H：
た（図
） 光照射
り
起さ
D
sul
ov
brio
vu
ar
s
M
ya
a
F
い
Desulfovibrio vulgaris Miyazaki F）を 用 い たる子
た 図 。光照射によりRが光励起され、電ｂ）。光照 により R が光励起 れ
（図１ｂ）
し
プ
燥
図2．触媒成分のナノ多孔質ガラス(PGP50)への固定化は乾電子が M に る。還元型の M が電子 H に伝子がMに移る。還元型のMがＨに電子を伝達
2
触媒成のナ
孔質ガラス(PGP50)
図Rし燥したPGP50を触媒成分を含む溶液に浸漬するたけで、む溶液に浸漬するたけで ナノ細孔内 固、水中のプンを還元し 水素(H22)を発を発し、水中のプロトンを還元し、水素(H
ナノ細孔内に固定化できる(a:乾燥状態、b
浸漬中、c:の固定化は乾燥した
PGP50 を触媒成分
受
光化できる a 乾燥状態、b
定固定化ガラス(RMH-PGP50))する。 化された R は溶液中に添加した EDTA生する。酸化されたRは溶液中に添加した
る
除
た溶
でこ
牲的還元剤）から電を受け取り、次の光 応
定化できる a 燥状態、b:浸漬中、c:固定化ガ
EDTA（犠牲的還元剤）から電子を受け取り、次の光反応に備える。酸素を除去した溶液系でこの光が触媒的に起こることはすで 報6に備える。酸素を除た溶液系でこの光反応
ラ
MH PGP50))
反応が触媒的に起こることはすでに報告されている
6
れら
媒成
ナノ
定 し
R 。これらの触媒成分をナノ細孔内に固定化しを む水溶液中50 を浸漬するこ

触媒的に起こることはすでに報告されていた。R,M, Hを含む水溶液中にPGP50を浸漬することにより、容易にこれらの成分が吸着固定化さにより易に れらのが固定化（図） この成分を吸着 たものを
。これ
成分
ノ細孔内に
定
した。R,
M,
H
を含む水溶液中にれる（図２a-c）-P P50 と。これらの成分を吸着したものをRMH-PGP50と表記する(c)。
記す)
R ナノ細孔内での触媒成分の分布- P50 と表記する(c)。
2.3
2 ナノ細孔内での触媒成 の分
2+
2
Ru(bpy)3 とヒドロゲナーゼのガラ
R (bpy
とヒドロ
ーゼの
.3
ノ細
内での触
成
分
ス細孔内での分布を共焦点レーザー
ス細孔内での分布を共焦 レ ザ
u y 3 とヒ ロ
2+ ガ
顕微鏡により観察した。Ru(bpy)は微鏡により観察(bpy)32+3は光をザ
光起に
励 起 にるよ る
リ ン 光 を、ロ
ヒド
ロゲ
ン光を、ヒ
ナーゼ
によ
。
)3
ナーゼは蛍光プローブ（ローダミン）
蛍光プローブ（ローダミン
を結合
起によ
、
ゼ
を結合したものを作成し、この蛍光図3．Ru(bpy)32+(A)とヒドロゲナーゼ(B)のナノ多孔質ガラス(PGP50)内で蛍ン）
蛍光（
図 3. Ru(bpy)32 A)とヒドゲ ーゼ(B)の多を検出した。図３はPGP50のプレーの分布。PGP50の厚さ方向（横軸）に対する発光強度
（縦軸）
。挿
図
P
入図はそれぞれのガラス断面の写真。
孔質ガラス(PGP50)内での分ト断面の発光強度プロファイルを示たものを作成し
の
検出し
。
3
3
2+
（横軸） 対 る発強度（ 軸）。 入 。ヒドロゲ
す。Ru(bpy)（図３A）
図３は PGP3 0はナノ多孔質ガラス中に均一に固定化していることがわかったの レート断面の発光強度)
GP
れ ガラス断面の写真
ナーゼは主にガラスプレート表面付近に吸着し、内部での吸着量は少ない（図３B）。メチルビオロ
プロファ
示す R
) 2+はナノ多軸
2+ゲンは後述するように、Ru(bpy)
孔質ガラス中 均一 固定化し3 と同様にPGP50内に均一に分散することが分かった。
いる
ガラ 断
写

3

ナノ細孔内での光還元反応
2.4（還元型メチルビオロゲンの蓄積）は主にガラスプレート表面付近に吸着し内部での吸着量は少光増感剤のRu(bpy)
後述するよに Ru(32+(R)と電子伝達体のpy) 2+と同様に PGP50
増 剤
Rで( ) 2+ 3 R 応（子2メチルビオロゲン(M)をPGP50に固定化し
チ
ゲ
)
P
固
4 ナノ細孔内での光還元反応（還元型メたもの(RM-PGP50)を電子供与体EDTAをし もの R P P50) 電子供与体 T含む溶液に浸漬し、光照射によるRu(bpy)32+
含む溶液に
射によ
からメチルビオロゲンへの電子移動を調べ
2
R ( )ロゲンへの電2+た。酸化状態のメチルビオロゲン(MV
動 調べた
状
ビ )は
2+＊
2 *
光励起したRu(bpy)から１電子還元を受
3
ゲン MV2+)は光励起(b
らけると600nmに吸収帯をもつラジカルカチ
１電子還元を受けると60
n
収帯を
•+
オン(MV
)となり、青色を呈する。その様もつラジ
ルカ オン(MVな青

子を図４に示す。
色を呈 る そ+図4．Ru(bpy)
3 (M)とメチルビオロゲン(M)を固定化したRM-PGP50の光Ru(bpy)チルビオロゲ(M)を固定図４
3 (M)と2+2+化学反応。光照射前(a)はRu(bpy)3 由来の黄色であるが、光照射+
た
RM-PGP5 の光化学反応。光照射前a)はにより速やかにメチルビオロゲン還元体(MV)生成による青色に変化し(b)、その後多量の還元型メチルビオロゲンの細孔内での蓄積+)3 由来の黄色であるが、光照 により速やにより黒く変化する（c）。酸素存在下においてもナノ多孔質ガラス中に還元体のメチルビオロゲンが大量に生成することがわかった。
ルビオロゲン還元体(MV +)生成による青色に

－ 3 －

2+
光照射前はRM-PGP50はRu(bpy)3 による黄色MV +の蓄積が進み 見かけ上黒く
らに

であるが
、光照射
（ソーラーシュミレーター）
化す （a）
(c)。
筆すべき
の
存酸素
+
により速やかに還元型メチルビオロゲン(MV)由
存在する溶液中で起こっていることで る。図５

来の青色に変化する(b)。光照射を続けると、さら
約２時間光照射した 合の 60 nm の吸 度変（MV•++の蓄積が進み）を示す。溶 系b)では、光照射直後に還にMV
見かけ上黒く変化する(c)。
型メチルビオン MV +が生成するが、その後溶
特筆すべき事は、この反応は溶存酸素が存在する
酸素によ 酸化により、徐々に酸 型 チル オ
溶液中で起こっていることである。図５に約２時
ゲン MV2 )に戻る。一方 ナノ多孔質ガラス（
間光照射した場合の600nmの吸光度変化（MV +）を
RM- GP50）では MV
ガラス内で蓄積し、その後示す。溶液系(b)では、光照射直後に還元型メチル

図5．溶存酸素存在系での光照射によるRu(bpy)32+からメチルビオロゲンの光還元反応。a: ガラス(RM-PGP50)内反応、b:溶液系反応。

常 ゆ やか +が生成するが、その後溶存酸素に減少す 。光 射をやめると（図ビオロゲンMV
中 off）徐 に 化されるが 長時間にわ り M
よる酸化により、徐々に酸化型メチルビオロゲン
2
が存在し続
。
(MV
)に戻る。一方、ナノ多孔質ガラス系
（a:
ナノ多孔質
どの部分でメチオ
RM-PGP50）
ではMV•+がガラス内で蓄積し、そゲンの反 が起こるのかをガラ 断面を観察すの後非常にゆるやかに減少する。光照射をやめると（図中off）徐々に酸化されるが、長時間にわたりMV•+が存在し続ける。
ナノ多孔質ガラス中のどの部分でメチルビオ
ロゲンの反応が起こるのかをガラス断面を観察することにより調べた（図６）。浸漬溶液を脱気
し、酸素を除去したRM-PGP50では光照射後(a)暗所で30分放置しても還元型メチルビオロゲン

図6．RM-PGP50を溶存酸素除去下（a, b）
および溶存酸素存在下(c-f)で光照射した場合の還元型メチルビオロ
ゲン(MV•+)の変化 。30分光照射(a,c)し、その後30分
暗所下で静置(b,d)。eとfはcとdの断面部分の写真。

の蓄積が確認できた(b)。溶存酸素存在下では30分の光照射により、(a)と同様に還元型メチルビオ
ロゲンの生成がみられ(c)、そのガラス断面を観察するとガラス内部に均一に還元型メチルビオロ
ゲンが生成していることが分かった(e)。これは、Ru(bpy) 32+と同様メチルビオロゲンもガラス内部に均一に吸着し、近接するRu(bpy)32+により光還元を受けていることを示している。この試料を30分暗所で静置するとカラスの端の部分から少しずつ色が薄くなり、還元型メチルビオロゲンが酸化されている様子が見られる。このガラス断面を観察すると(f)、ガラスの表面から酸化が進み、徐々に内部に酸化反応が進んでいる。これは、外部溶液中の酸素が内部に浸透しているためであると考えられる。ガラスの中心部分では還元型メチルビオロゲンが存在していることから、外部溶液からの酸素の侵入はナノ細孔の効果により非常に遅いと推察される。
2.5 ナノ細孔内での光誘起水素発生
上述のように、ナノ細孔に還元型メチルビオロゲンが安定に蓄積することから、それを利用してヒドロゲナーゼへの電子伝達によりプロトンから水素生成が可能になると期待できる。図７に
RMH-PGP50系および均一溶液系での光誘起水素発生反応の時間変化を示した。
均一溶液系（[Ru(bpy)32+] = 0.5 mM, [MV2+] = 3 mM, [ヒドロゲナーゼ] = 5.5 μM）で溶存酸素を除去した場合、水素発生が確認できた（b）。水素発生速度は 2.9 μmol H 2 m-2 s-1 であった。溶存酸素存在下では、わずかな水素発生しか見られなかった（c）（水素発生速度10 -3 μmol H2 m-2 s-1）。一方、－ 4 －

2 5 ノ細孔内 の光誘起水素 生
ナノ多孔質ガラス系(RMH-PGP50: [Ru(bpy)32+] = 2.9
上述
孔
元型メ ル
μmol/g, [MV2+] = 22 μmol/g, [ヒドロゲナーゼ] = 55
オンが安定に蓄と 、 れを
nnol/g)では溶存酸素存在下においても高い活性を示してヒ電よし(a)、水素発生速度は2.7 μmol H2 m-2 s-1 であった。
か
素生
ると
き
溶存酸素存在系ではRMH-PGP50は溶液系と比較し、。
MH
溶
約3000倍の活性を有する。最大の変換効率は0.36％
起水素 生反変しであった。溶存酸素除去系でのRMH-PGP50の水素（p
発生活性は溶存酸素存在系の約1.7倍であった。このm [ことは外部溶液中の溶存酸素による阻害をある程度受けていることを示している。
上述のように、酸素分子は還元型メチルビオロゲ

図7．RMH-PGP50よる光誘起水素発生(a)。
2+
Ru(bpy)ドロゲナーゼを
3 /メチルビオロゲン/ヒ
7 RMH
PGP50 よる光誘起水素発生
含む水溶液系での反応(b, c)。bは溶存酸素除。R bpy)32 /メチルビ
去系、cは溶存酸素存在系。

2+ンから電子を奪い、またヒドロゲナーゼも不活性化する。さらに、増感剤のRu(bpy)
3 の励起三重2
除去は溶存 素存在系）
項を消光する。このように酸素分子はこの光誘起水素発生系に対して深刻な阻害剤となる。ナノ多孔質ガラス中にはおそらくゆっくりとではあるが、外部溶液中の溶存酸素が侵入し、反応をある程度阻害するが、光照射により連続的に還元型メチルビオロゲンがナノ細孔内に生成し蓄積するた
チルビ ロゲゲがナノ 孔内に生成 蓄積す ため ナノ細 内は常に低酸素環境（嫌気環境）+
め、ナノ細孔内は常に低酸素環境（嫌気環境）となっているため、反応が非常に効率よく進むと考えい 7ため 反応が非常に効率よく進むと考えれる まMV + 015触媒成分（ u比bpy

られる。また、触媒成分（Ru(bpy)32+, ためMV2+, 均一溶液系と比較し高ヒドロゲナーゼ）が密に吸着しているため、均一溶液系
ドロ ナー るが密に吸着して率な電子伝達系が最率
6存P 0 成されてい発生
77と比較し高効率な電子伝達系が形成されているものと考えられる。
るも と考えられる
存 素存
の 1
溶
2.6
くりかえし利
2 6くりかえし利用：耐久性
よう ：耐久素

この水素発生系は電子源として
EDTA
この水素発生系は電子源としてEDTAを用いてす( を用いておy) 2+
り 起水素
DTA 消費されると反応は停止する
そ で
おり、EDTAが消費されると反応は停止する。そ
系
て深刻
害剤とな
繰 返
こで、繰り返し利用が可能であるか検討した。図が 利用が可能であるか検討した。図外 溶液中 溶存 素
入
反に溶存
を
2
酸 素 存 在 下 で の R H-PGP50 （ [Ru(bpy)]=332+]0８に溶存酸素存在下でのRMH-PGP50（[Ru(bpy)
3
mo μmol/g,g, [MV [MV= 172+] =m 17/ μmol/g,[ ド [ヒドロゲナー
ゲナーゼ
2
= 3.0
/g nnol/g）による光誘起水素発生の繰り返し実験を
ゼ]n =o 27
による光誘起水素発生の繰り返しす。光照射 ６時間後に光照射停止し、外部溶実験を示す。光照射
36時間後に光照射を停止し、
外 部 溶 液 のEDTA溶 液 を 新 し く 置 換（20 mM）し、EDTA 溶液を新しく置換（20mM）し 再 光照
再び光照射（60時間後）すると再び水素発生が見ら

図8．RMH PGP50よる繰り返し光誘起水素発生

図
RMH PGP50 よ 繰り返
誘（０時間後）すると再
水素発
見
れ
。
水素発生
れた。水素発生速度は僅かに遅くなっているものの、活性は良く維持され、耐久性を有しているこ
発生速度
いるものの、活性はとが示された。このことは、外部溶液中の電子源（EDTA）をフローシステムなどにより交換するこ
維
れ、耐 性を有しているこ が示されこのことは 外部溶 中の電D Aとにより、連続的な光誘起水素発生系が構築できると期待できる。RMH-PGP50中でヒドロゲナー
ローシ テムなどによりす
よりな光誘起水 発生系が構と期ゼは非常に高い回転数で機能していることもわかった。触媒回転数は12時間で1.3 x 105 回ターン。
能して ること わか た。触媒
オーバーしていた。このことは、壊れやすい生体分子でもナノ細孔環境で非常に安定に機能するこ数はでとを示唆している。
３. 水素発生機能を付加した光化学系Ｉ複合体(PSI)の作成とナノ多孔質ガラス中での光誘起水素発生能をた合)
上述のRMH-PGP50では光増感部分と水素発生触媒部位を電子輸送体のメチルビオロゲンで結ぶ－ 5 －発生機能を付加し合体(P )の 成
ことにより電子伝達系を形成させた。ここでは高い光還元力
多孔質の光誘起水素 生をもつ光合成タンパク質の光化学系Ｉ複合体(PSI)に水素発
上述のG 5増感部分と 素発
媒部位
生触媒部位として白金ナノ粒子(PtNP: 粒径3 nm)を結合させのメI 複合体(PSI)と白金
ビ ロ ン
ぶ 粒 よ
伝
光化学系
(Pt 電
P)結合体の作成
たものを作成し(PSI-PtNP：図９)、ナノ多孔質ガラス中での。ここで T. elonga e ) ら単離精製した
光
シアノバクテリア
用い
光誘起水素発生系の構築を行った。電子供給源として、アス
Ｉ Pt を既報 従ず、成し。透過し 電子コルビン酸、電子メディエーターとしてシトクロームc
6 (cytNPM)、
c微鏡(6 )を用いた。
してス
ビメ ィ
合は静電相互作用により結合（PtNP
面の負電
ノバクテリア(T elongates)から単離精製し３.1
PSI-PtNP複合体の作成とPGP50への固定化
シ ク
6 c）
正電荷領
（ ９）
ず、 NP を既報に従（PSI-PtNP/PGP50）

図9．光化学系Ｉ複合体(PSI)と白金ナノ粒
参考にして った 。PSI は子結合体(PSI-PtNP)と水素発生の
模式図

CP AES により確認した。
PSI は光 起粒径よりクロロ
微鏡(TEM)
動的光散乱 DLS)によ
3nm の P NP
光化学系I複合体(PSI)と白金ナノ粒子(PtNP)結合二量体（P ）
形成されていることを認しPt3。PSIはシアノ
P と PS との体の作成は既報を参考にして行った
。
正孔
効
注入
は電
合は静電相互作用により結合（PtNP
面の負電荷とelongatus)から単離精製したものを用いバクテリア(TPた。
る。 P は光、c 起によりクロロ
を
菌発現
3,8
CP
AE により確認した。
まず、PtNPを既報に従い作成した。透過型電子をて。
ィル二量体00）のカチオンラ
ル 700 )を生じ
顕微鏡(TEM)、動的光散乱(DLS)により、粒径3nmの図
I
収る。この 孔に電 を効果注入す た 。には電PtNPが形成されていることを確認した。PtNPと伝達酵素であるシトクローム 6(cyt c6)が有効である
PSIとの結合は静電相互作用により結合（PtNP表面１
nmc t を 腸 発現ことが知らいる。そこで6 さ せ た。PSIの 負 電 荷 とPSI正 電 荷 領 域（図 ９））を用 て調製した
PtNPの形成はICP-AESにより確認した。PSIは光図
各種 SI
収ス クト を
。吸励起によりクロロフィル二量体（P700）のカチオンラ
I
る ロ
および ロ
由来
ジカル(P700+)を生じる。この正孔に電子を効果的にの。 １０
は 680nm ク
注入するためには電子伝達酵素であるシトクローム
ラ
示 。
tc6 (cyt c6 )が有効であることが知られている。そこで、せた P IP P P
cyt c6 を大腸菌発現系を用いて調製した。
( S t /P
)ともを
図10に各種PSIの吸収スペクトルを示す。吸収は52 。 7)
PSIが有するクロロフィルおよびカロテノイド由来
領０のものである。図10bでは680nmのクロロフィルの
I P
PGP 。
Qy体でノーマライズしたスペクトルを示す。PSI
引
よてと PtNP を 結合させた
PSI-PtNP,
PSI-PtNP を能をしているを すために
7

図10．光化学系Ｉ複合体(PSI)と白金ナノ粒子結合体(PSI-PtNP)をPGP50中に固定化したPGP50(PSI-PtNP /PGP50)の吸収スペクトル（a）と諸種のPSIの吸収スペクトル(b).

PGP50に結合したもの(PSI
PtNP/PGP50)ともに
おけ 蛍光
ク ル 測定したP はエネ
同様の吸収スペクトルを示している。このことはーア セプタ と長波長
フ ル 有 てPtNPの結合やPGP50への吸着過程でPSIからクロり
Ｋでの低定 よりこの長 長クロロ
ロフィルなどの色素の脱離は起こっていないことの 光 観察持 れる 9 図１
飾前の Sを示している。PSI-PtNP/PGP50はcyt
6 も同時
PSI-P NP PS - P PGP50 蛍光スペク cルを示す

図11．諸種のPSIの蛍光スペクトル。77Kで測定。
諸種のPSIの吸収スペクトル(b).

に吸着している。そのため
cyt c 6 由来の小さな吸とア
PSI-P NP/ GP では
こ ク
長波長クロロフィル由る 波フ
収帯が552nmと417nmに見られる(図10b)。PGP50は短波長領域に散乱に由来する吸収帯の増加
スペクトル(b)発光ピー
が 29 定
m
観察された
の とから
7
り の 波
がある
。bのPSI-PtNP/PGP50のスペクトルは、この吸収帯を差し引くことにより得られ
9
PSI P（図10a）
NP
配置を維
発 は天
が の PSI の色素（クロロフィル
１
I

－ 6由－

た。
PSIが機能を保持していることを示すために、77Ｋにおける蛍光スペクトルを測定した。PSIはエネルギーアクセプターとなる長波長クロロフィルを有しており、77Ｋでの低温測定によりこの長波長クロロフィルからの発光が観察される 9。図 11に修飾前のPSI, PSI-PtNP, PSI-PtNP/
PGP50の蛍光スペクトルを示す。PSIとPSI-PtNP/PGP50では、この長波長クロロフィル由来の発光ピークが729 nmに観察された。このことから、PSI-PtNPは天然のPSIの色素（クロロフィル）
持したまま G 5 中に固定化されていること。P P5
定化する前の P
tNP では、よ配置を維持したままPGP50中に固定化されていることが分かる。PGP50に固定化する前のPSI-

り短波（670 nm）にず nm）にわずかに発光が見られていることから、長波長クロロフィ光が見られ い こ か
クロ フィルにエPtNPでは、より短波長領域
（670
70 ）に
て
ら
フ
しな クロ
ィ
存在
お
一 PS のが変化しても と考えら る。しルにエネルギー移動しないクロロフィルが存在しており、一部PSIの構造が変化しているものと考
ク
て
PSI の
化して
も と
る
P
の は
は いこ
P
PSI
造 保って
えられる。しかし、PSP50中のものにはこの発光ピークは無いことから PGP50中では天然の
かし PS
中の
に
ピ クは いP P 中での PS のをいる。
PSIの構造を保っていることがわかる。
２
よ
ノ
6
３.２
２ P P NP お び cy6 のナノ多孔質ガラス中での分布
３ PSI-PtNPおよびCyt
ナ 多
ガラ
での
N
孔質
PGP50)
PSI-PtNPのナノ多孔質ガラス(PGP50)中でのPSI P N の
多孔質ガラス(P P5 )中で 分2
分布を2.3と同様に共焦点レーザー顕微鏡により布を 2 3 と同様に共焦点
ザ 顕微鏡に り調図距調べた
た（図12）（図 ２。図の横軸はガラスの厚さ方向の距
図の横軸はガラスの厚さ方向 距
離縦軸はPSI中のクロロフィル由来の蛍光強度
縦軸は PSI 中のクロル由来の蛍光強度である。厚さ500μmのナノ多孔質ガラスプレート
であ 厚さ 00 m のナ 多孔質ガラス レ トの両面に強いクロロフィル蛍光が見られ、内部での両面に いクロィル蛍光が見られ 内部でははその強度は弱
その強度は弱くない る。 このの ことからと か ら、
なっ てている。
PSI-PtNPはガラス表面に多く吸着し、表面からP
N
ラ
面
SI- N はガラス表面に多 吸着し 表面から約150μmまでの領域に存在していることが分かっ
までの領
在
ること
での領域に存在していることかった。図中た。図中の写真はPSI-PtNPとcyt
c6 を吸着させたは PSI P NP と吸
P P50

図12．PSI-PtNPのPGP50内での蛍光プロファイル。横軸はガラスの厚さ方向の長さ。挿入写真中の濃淡はcyt c6の赤色由来。図中点線はガラスの界面。
矢印部分はPSIのクロロフィル由来の緑色部分を示している。

は PS tNP と cy 6 を 着させた PGP 0
面
PGP50の断面写真である。写真では見えにくい
あ
写真では見えが 縦のはガラる。写真では見 にくいがの点 はガラス表面をが、縦の点線はガラス表面を表しており、矢印部分はPSI-PtNPの存在を示す緑色のバンドが見ら
淡は cyt c の赤色由来。図中点線はガ
は PSI-P NP の存在 示す緑色のし おり 矢印
界面
表 ており 矢印部分は c6I-PtNPの存在 示 緑色のバラスの界面 矢印部 はI のクロれる。写真中の濃淡はcyt
由来の赤色のバンドで中央部分がより濃くなっている。この写真かが見る 写真中の濃淡は
c t
来
のバ
由
色
示 てい
ン が見られる
濃 は cyt c6 由来の赤色
ロフィル由来の緑色部分を示 ていら明らかなように、cyt
c6 はガラス断面の中央部分により多く吸着する傾向があることがわかった。
ンドで 中 部 がより濃くなている この写真からよう
y 6 はガラス断 10
３多
３ PSI
PtNPによる光誘起水素発生
吸着する
向があることがわかっ多
着 る 向 あることがわ。
PSI-PtNPによる光誘起水素発生は、還元剤（電子源）
３ PS -P N に る光誘起水素発生
３ としてアスコルビン酸ナトリウム、電子メ
Pに発
ディエーターとしてcytc6を用いた。アスコルビン
PS
P による光誘起水素発生
還元剤（電
S t
よる光
発生
（電
酸は溶液中に01 M添加した。まず、均一溶液系
源）と てアスコルビン酸ナ
リ
電子メデ
源）として
、
エーターとして
yt c6[cytを cいた。
スコルビで光
酸（[PSI-PtNP]= 10 nM,
6 ] = 10 μM添加）
c c6。
ル
溶 液中に 0 1 M 添加 した 。ま
均 一溶液
誘起水素発生活性を調べたところ、酸素除去系
1。
（図13□）
で2000 mol H2 (mol PSI monomer unit)-1
10 M
添加）
PS -PtNP] = 1 n [cy c6] =（■）
h-1（と高い活性を示した。酸素存在下では活性加）（ P P NP]
[
] 10
生
を調
、酸 除
が0 8％に著しく低下した。これは触媒サイトの
生
べ と
素除去
－に
7 －

図13．PSI-PtNPによる光誘起水素発生の時間変化。
□：酸素除去溶液系、○：酸素除去PGP50系、■：酸素存在下溶液系、●酸素存在下PGP50系。

PtNP部分で溶存酸素が反応阻害しているためであると考えられる。PSI-PtNPをPGP50内に固定化した系では、酸素除去系では水素発生速度は11 mol H 2 (mol PSI monomer unit)-1 h-1 であった（○）
。酸素存在系では16％に減少した（●）。RMH-PGP50系でも見られたように、酸素が存在す
ると活性は低下するものの、ナノ多孔質ガラス中ではその阻害が均一溶液系と比較し極めて軽減されていることが分かる（0.8％から16％：酸素耐性として20倍）。この効果はRMH-PGP50系と同様に、ナノ細孔内により溶存酸素の内部への侵入が妨げられているためであると考えられる。酸素除去系でPGP50系が均一溶液系よりも活性が低くなったのは、電子メディエーターであるcyt c6 がナノ細孔内で拡散できず、また3.2で見られたように、cyt c6 のガラス内での吸着部分がPSI-PtNPのそれとは異なるため、PSI-PtNPとcyt c6 間の電子伝達効率が低くなっているためであると推察さ
れる。
４．まとめ
本研究では、ナノ多孔質ガラス内部への酸素侵入のしにくさを利用し、ナノ細孔内に光増感剤/
電子伝達体/水素発生触媒系を構築し、溶存酸素存在下で高い光誘起水素発生機能を有する材料の開発に成功した。光増感剤としてルテニウム錯体および光合成タンパク質（光化学系I複合体:PSI）を用いることにより光を利用した水素発生系が構築できた。ナノ多孔質ガラスは天然のタンパク質（ヒドロゲナーゼ、PSI、cyt c6）を安定に固定化することができ、光合成機能をナノ細孔内で発現することが可能であることを示した。現在、光合成タンパク質の光収穫系複合体II(LHCII)をナノ細孔に固定化し、同様に光誘起水素発生ができることが分かってきた。また、ナノ細孔内での
LHCIIの光化学反応の特性についても明らかになりつつある。このように、ナノ細孔内での光合成機能の利用に新たな道を開くことができた。本研究ではカソード反応としての光誘起水素発生を検討したが、冒頭で述べたように、最終目標は光化学系II複合体(PSII)によるアノード反応との組み合わせによる、水を電子源とする光誘起水素発生系の構築である。水の酸化反応により生じる酸素により阻害されない水素発生系を構築するために、本研究でのナノ多孔質ガラスは極めて有用であると期待できる。現在も共同研究者とともにこの目標に向かって研究を進めている。
謝辞
本研究は主に名古屋工業大学 野地智康博士（現在、大阪市立大学複合先端研究機構プロジェクト
講師）、近藤政晴博士（若手研究イノベーター育成センター）および研究室学生諸氏により行われました。厚く感謝申し上げます。また、ナノ多孔質ガラスをご提供いただいた神 哲郎博士（産業総合技術研究所）、ヒドロゲナーゼをご提供いただいた樋口芳樹教授（兵庫県立大学）に厚く感謝申し上
げます。
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