研究代表者	大友 征宇	茨城大学・理学部・教授
研究協力者	木村 行宏	神戸大学・大学院農学研究科・准教授
光合成複合体間の電子伝達における構造基盤の解明
天然光合成の初期過程は光エネルギーの捕獲、電荷分離と電子移動間の連係プレイ(Interplay)である。紅色光合成細菌では、これらの素機能を担うのが光捕集複合体LH(light-harvesting complex)、反応中心RC(reaction center)、水溶性電子伝達タンパク質と膜内シトクロム(Cyt) bc1である。本研究では光合成細菌を研究材料とし、LH1-RC、水溶性電子伝達タンパク質とCyt bc1からなる光捕集・電荷分離・電子伝達の複数機能を併せもつ超分子複合体の構造解析と特性評価を行い、これらの複合体間において機能調節を司る相互作用の構造基盤の解明を目指す。

　　　　　 　

研究代表者	庄司 光男	筑波大学・計算科学研究センター･助教
自然・半導体・分子触媒で利用可能な多様な水分解反応機構の解明
光化学系II(PSII)は自然系のエネルギー変換反応を担っており、その効率的な仕組みは生化学的のみならず化学的に極めて重要である。本研究の目的は、解明が進んだ PSIIの水分解酸素発生の仕組みを基に、人工光合成系の反応機構をより詳細に解明することである。具体的には反応素過程における活性中心の構造、電荷、スピン状態、遷移状態について、PSIIと対比して理論解明する。人工光合成には、分子触媒（錯体）および固体（半導体表面）における多様な触媒系を理論解析する。そのためにも、新学術領域における様々な分野との共同研究を積極的に実施する。自然系の理論解析から、より効率的な人工光合成を理論設計していくことで、革新的光合成の創生を目指す。

　

研究代表者	石北 央	東京大学・先端科学技術研究センター・教授
研究協力者	斉藤 圭亮	東京大学・先端科学技術研究センター・准教授
	野地 智康	東京大学・先端科学技術研究センター・助教
酸素発生触媒部位の電位から解き明かす光合成水分解反応機構
天然光合成における水分解酸素発生反応は蛋白質photosystem II (PSII)で行われます。既に多くの水分解反応機構が提唱されていますが、真の反応機構に迫るためには裏付けを行う必要があります。提唱された水分解反応機構が妥当であるなら、(1) 基質水分子を外部から取り込むのに必要な「基質水分子供給経路」、(2) 生成物である酸素分子を反応場から放出するための「酸素分子の放出経路」、(3) 「プロトン移動経路」（副産物）の3つの経路はMn4CaO5の反応サイト１点で交わるはずです。反応サイトはさらに(4) 「電子移動経路」とも矛盾なく交わる必要があります。本研究では、Mn4CaO5だけでなく、PSII蛋白質全体の構造情報からこれらの経路を理論化学的手法により解析し、水分解反応機構の確定を行います。

　

研究代表者	三野 広幸	名古屋大学・大学院理学研究科・准教授
酸素発生系マンガンクラスターのスピン転移と中間体構造の解析
光合成酸素発生は光合成系IIタンパク質複合体中のマンガンクラスターで行われる。酸素発生反応メカニズムの解明には量子論に基づく分子軌道の解明が不可欠である。分子軌道の実験的な検証は電子スピン状態を検出することより行うことができる。マンガンクラスターは種の違いや外部の摂動の付加により同じ酸化状態でも構造が変化しスピン状態に反映される。特にS2中間状態では高スピン状態、低スピン状態の2種の異性体が存在し、クラスター内の酸素の位置によりマンガンの価数がスイッチすることにより構造変化をひきおこすと考えられている。本研究ではマンガンクラスターのスピン状態の転移に焦点をあて分子構造の変化から酸素発生機構の解明を目指す。

　

研究代表者	出羽 毅久	名古屋工業大学・大学院工学研究科・教授
研究協力者	近藤 政晴	名古屋工業大学・大学院工学研究科・助教
水分解半導体光触媒／光合成反応中心バイオハイブリッドの作成と光触媒作用
酸素発生触媒（Mn4CaO5クラスター）をもたない紅色光合成細菌の光反応中心（LH1-RC）や光化学系I（PSI）複合体は水を光分解（酸素発生）することはできない。本研究では、酸素発生能をもたないこれらの光合成反応中心タンパク質と酸素発生半導体光触媒を結合させたバイオハイブリッド体を作成し、水を光分解する先例のないバイオハイブリッド光合成システムの構築に挑戦する。これにより、水を電子源とする可視光駆動の光エネルギー―物質変換系の構築へと展開し、天然系（光合成タンパク質）と人工系（半導体光触媒、電極など）を機能的に融合させる基盤を確立する。

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　

研究代表者	磯部 寛	岡山大学・異分野基礎科学研究所・特任准教授
光合成マンガンクラスターに酸素発生機能をもたらす基本原理の抽出と検証
近年のＸ線自由電子レーザーを用いた時間分解構造解析技術の進展は目覚ましく、我々が予想もしなかった結果が次々と発表されている。例えば、光化学系II のS2→S3遷移において、酸素発生中心周辺の水和量が増加すると同時に、アミノ酸残基の配向構造変化が起こり、新たな基質水分子がマンガンクラスターの反応サイトに結合することが報告されている。本研究は、このような閃光照射により誘起されるアミノ酸残基の経時的な配向構造変化とマンガンクラスターの触媒作用の関連性を、密度汎関数法を用いた理論的アプローチにより明らかにすることを目的とする。この研究により、マンガンクラスターの機能発現を引き起こすトリガーとしてのアミノ酸配位子の役割を解明する。

　　　　　　　　　　　　　　　

研究代表者	川上 恵典	理化学研究所・放射光科学研究センター・研究員
研究協力者	米倉 功治	理化学研究所・グループディレクター
	浜口 祐	理化学研究所・研究員
	小澄 大輔	熊本大学・産業ナノマテリアル研究所・准教授
光合成超複合体のエネルギー伝達機構の解明
シアノバクテリア・紅藻といった藻類は、巨大な集光性アンテナ蛋白質フィコビリソーム（PBS）を用いて太陽の光エネルギーを吸収し、光化学系蛋白質群（PSIとPSII）にそのエネルギーを高効率に伝達しています。しかしながら、PBS内部と、PBSからPSIIやPSIへのエネルギー伝達の仕組みに関しては未だ詳細に理解されていません。天然の光合成の仕組みを理解するため、PBSと、PBSとPSIIまたはPSIの相互作用をクライオ電子顕微鏡を用いた立体構造解析によって明らかにし ていきます。そして、立体構造解析によって得られた知見を人工光合成分野に提供する取組みを行うことで、天然の光合成システムを模倣した人工触媒の開発に貢献していきます。

　　　　　　　　　　　　　　　

研究代表者	鞆 達也	東京理科大学・理学部・教授
新規クロロフィルを用いた生体人工光合成
光合成による持続的なエネルギー変換は安価な水と太陽光を用いることに利点がある。光合成の光変換反応を担う分子はクロロフィル(Chl)であり、光化学反応のエネルギー移動、電子移動の量子収率はほぼ“1”と非常に高い。Chlにおいては普遍的に存在するChl a以外に、吸収極大を遠赤色領域(> 700 nm)にもつ新規クロロフィル(Chl d, Chl f)が近年発見されている。Chlの多様性を利用した光合成と新規炭素材料の生体ハイブリッド型の人工光合成の創生は、次世代エネルギーの有力な候補と成り得る。本研究は、新規Chlの光合成機構を明らかにすること及び申請者がこれまでに明らかにしてきた、Chl aおよび新規Chlを結合した光化学系タンパク質複合体と新規炭素材料を組合わせることによる生体分子を利用した、高効率の光エネルギー変換を行う基板技術の確立を行うことを目的とする。

　

研究代表者	西山 佳孝	埼玉大学・理工学研究科・教授
光化学系ＩＩの光阻害と修復の分子機構
光化学系IIは光による損傷を受けやすいが、修復機構によって速やかに修復される。研究代表者らは、これまでに光損傷に関する新たなモデル「Two-step機構」を提唱し、修復を制御する新たな機構を見出してきた。本研究では、シアノバクテリアを研究材料として、Two-step機構の実態を解明するとともに、水分解を触媒するマンガンクラスター（Mn4CaO5）および反応中心の修復機構を明らかにすることを目指す。光化学系IIの光損傷や修復の機構は未解明な点が多く、その分子機構の詳細を理解することは、人工光合成の効率や耐久性を高めることにつながる。天然の光合成系が有する利点を生かして、人工光合成系の開発に貢献したい。

　

研究代表者	木村 行宏	神戸大学・大学院農学研究科・准教授
研究協力者	大友征宇	茨城大学・理学部　教授
近赤外光応答型光合成エネルギー変換を担うキノン－キノール輸送機構の解明
地上に降り注ぐ近赤外光は未利用のエネルギー資源である。シアノバクテ リアの祖先種である紅色光合成細菌は、この近赤外光を利用した光物質変換が可 能である。紅色細菌の反応中心では光エネルギーによってキノンがキノールに変 換され、これが光合成膜内を拡散輸送されることにより、暗反応に必要な還元力 が運搬されると推測されているが、実験的な証拠は得られていない。本研究では紅色細菌の光合成膜を再構成する手法を確立し、キノン還元からキ ノール輸送に至るキノン動態を振動分光学的にモニタリングする。キノン、タン パク質、脂質置換の効果を比較検討することにより、光合成キノン-キノール輸 送機構の解明に挑戦する。