光合成による水分解の詳細に関する新しい洞察のおかげで、水と太陽光に基づくクリーン燃料の開発の見通しが良くなっています
社会のエネルギー供給問題は将来的に自然から採用したモデルで解決できるかも知れません。 光合成の際、植物や藻類、一部のバクテリアの種は、太陽エネルギーを使って糖やその他のエネルギーに富んだ物質（つまり燃料）を生産する。 ミュールハイム・アン・デア・ルールのマックス・プランク化学エネルギー変換研究所の研究者が率いるチームは現在、このプロセスが自然界でどのように起こるかを確かめる実験方法を開発中だ。 研究チームは、光合成に関与する補酵素のうち、特に重要なマンガン・カルシウム複合体について研究している。マンガン・カルシウム複合体は、太陽エネルギーを利用して水を酸素分子に分解する働きをもつ。 そして、この化学反応の重要な段階にあるこの複合体の正確な構造を決定した。 これにより、この金属錯体で酸素分子がどのように生成されるのか、詳細な示唆を得ることができた。
自然界に存在する、O-O結合形成前のマンガンクラスターの構造です。 背景には、中間状態S0からS4までの水分解サイクルがある。 © Diagram: MPI for Chemical Energy Conversion 
30億年以上にわたって、自然界は太陽光を主なエネルギー源として光合成を行ってきました。 この過程で、植物、藻類、シアノバクテリア (藍藻) は、太陽光を利用して水を分解し、二酸化炭素 (CO2) からエネルギーに富む化学化合物を生成します。 最終生成物は炭水化物であり、自然界では、生体細胞の中で太陽電池の燃料として働いている。 光合成に関わる基本的な反応は以前から知られていたが、このたび、ミュールハイム・アン・デア・ルールのマックス・プランク化学エネルギー変換研究所とフランスのサクレーにあるエネルギー原子局（CEA）の研究者が、光による水の分解プロセスの重要な詳細を説明することに成功した。
水分解触媒
光による触媒的水分解は、大きな膜タンパク質（光化学系II）に埋め込まれた金属錯体で行われます。 この複合体は、4つのマンガン原子（Mn）と1つのカルシウム原子（Ca）からなり、酸素橋のネットワークを通して結合しています（図参照）。 この水の酸化あるいは酸素発生の複合体は、電子とプロトン、ひいては最終的に水素と酸素分子を放出する複雑なサイクルを経ています。
ドイツとフランスの研究チームは、今週、雑誌『サイエンス』に発表した論文で、このマンガンとカルシウムの複合体の構造を酸素生成の直前まで提示しました。 光合成に関わるメカニズムをより詳細に理解することができ、このモデルに基づく光誘起水分解の合成系の開発が可能になります。
この研究は、マックスプランク化学エネルギー変換研究所の生物物理化学および分子理論部門が、Wolfgang Lubitz氏とFrank Neese氏のリーダーシップのもと、密接に協力した結果もたらされました。 ニコラス・コックスとディミトリオス・パンタジスは、これらの部門において、自然界における水分解の分子的な詳細についてより深く理解することを目的とした学際的なチームを結成した。
光化学系Ⅱの研究がもたらした3つの課題
研究者が直面した最初の課題は、日本の温泉や火山に生息し、非常に頑丈な好熱性シアノバクテリアという元の生物から、水分解複合体を完全に残した光化学系Ⅱを抽出・精製することであった。 この調製品の品質に関する非常に厳しい条件を満たすために、サクライ大学の研究者たちは、日本の研究者と協力して数年にわたる開発作業を行わなければならなかった。
研究チームが直面した2つ目の課題は、光化学系IIにおける水分解のさまざまな段階でのマンガン錯体の特性を明らかにすることだった。 ミュールハイムに本拠を置くマックス・プランク研究所生物物理化学部の研究者たちは、電子常磁性共鳴法（EPR）を用いてこの難題を克服した。 電子常磁性共鳴法は、分子や金属錯体中の電子の分布を可視化することで、水分解の各段階を深く理解できるようにする技術である。 「これらの測定は、新しい情報を生み出し、他の方法ではアクセスできない反応サイクルの分子構造の詳細な分析に関する問題を解決することを可能にしました」と、CEA Saclay の Alain Boussac 博士は述べています。 そのために必要な計算は、新しい理論的手法と、マックス・プランク研究所分子理論部のスーパーコンピューターを用いて容易に行うことができた。 このようにして、研究者らは、反応サイクルの後期に、複合体中の活性酸素原子の隣に2番目の水分子が結合し、プロトンを放出することを示すことに成功した。
Fuel from sunlight – copying nature
光化学系IIにおける水分解触媒の構造と機能を原子レベルで解読したおかげで、水分解のメカニズムの説明が可能になりました。 この知見により、環境にやさしく、安価で入手しやすい元素を用いて水を分解する同様の合成触媒を設計するための重要な基準を明らかにすることができました。 現在、この目的のためには、高価な白金などの希少金属や金属錯体が広く使われている。
バイオインスパイアード触媒の助けを借りて、太陽光発電装置と水分解触媒を組み合わせ、電気の代わりに太陽燃料を生成することにより、水素または別の太陽燃料を安価に製造することができるかもしれません。 これにより、太陽光発電の問題点である、「太陽光は24時間利用できない」、「電気は自動車の駆動にあまり適していない」という点を克服することができる。 これに対して、ソーラー燃料のコンセプトは、太陽エネルギーを化学化合物に直接貯蔵することを可能にし、したがって、時間や場所を問わずこのエネルギーを使用することができます」
マックス・プランク化学エネルギー変換研究所の所長、ウォルフガング・ルビッツ教授は、「合成ソーラー燃料は、特に、いまだに化石燃料に依存している輸送やインフラストラクチャ部門において、自然エネルギー技術の幅広い可能性を開きます」と述べています。 「マンガンのような一般的な金属をベースにした効率的な光駆動型水分解触媒は、ここで大きな進歩を意味するでしょう。 この研究によって得られた自然界の水分解酵素に対する洞察は、そのような開発の基礎を築きました」
ES/PH