光合成の秘密を解き明かす

光合成生物は、複雑な生化学的プロセスを通じて、光エネルギーを生命を維持する化学エネルギーに変換します。 最近の研究では、この相互作用が単一光子の吸収によって開始され、量子物理学の世界と生物学の間に架け橋を形成する可能性があることが確認されました。 クレジット: Jenny Noss/バークレー研究所

最先端の実験により、自然界の最も重要なプロセスの 1 つの基礎となる量子力学が明らかになりました。

光合成生物は、鉱物色素、タンパク質、酵素、補酵素の複合体を使用して、光のエネルギーを生命の化学エネルギーに変換できます。 最近発表された研究では、 自然 この自然な化学プロセスは、可能な限り少量の光に一度に反応することが明らかになりました。 光子。

この発見により、私たちの現在の理解が深まります。 光合成 そしてそれは、量子物理学と生物学が出会う最小のスケールで生命がどのように機能するかについての疑問に答えるのに役立ちます。

「光子の吸収後に何が起こるかを理解しようと、理論的にも実験的にも、世界中で多くの研究が行われてきました。しかし、最初のステップについては誰も話していないことに気づきました」と共同筆頭著者のグラハム・フレミングは述べています。ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の上級生物科学者であり、カリフォルニア大学バークレー校の化学教授：「これは依然として詳細な回答が必要な疑問でした。」

フレミング氏と共同主著者でバークレー研究所のエネルギー科学分野の上級研究員であるビルギッタ・ウェイリー氏、および彼らの研究グループは、彼らの研究で、単一の光子が実際に光合成マゼンタ細菌の光合成の最初のステップを開始できることを示した。 すべての光合成生物は同様のプロセスを使用し、進化の祖先を共有しているため、研究チームは植物と藻類の光合成が同じように機能すると確信しています。 「自然は非常に巧妙なトリックを発明しました」とフレミング氏は言う。

生命システムは光をどのように利用するのでしょうか?

光合成がいかに効率的に太陽光をエネルギー豊富な分子に変換するかに基づいて、科学者たちは長い間、反応を開始するには単一の光子だけで十分であるという仮説を立ててきた。光子は電子にエネルギーを渡し、電子は別の分子の電子と場所を交換し、最終的には反応を開始するのである。多糖類の製造のための主要成分の形成まで。 結局のところ、太陽はそれほど多くの光子を供給しません。晴れた日には 1 秒あたり 1,000 個の光子しかクロロフィル 1 分子に到達しません。それでも、このプロセスは地球全体で確実に発生します。

しかし、「これまで誰もこの仮説を証拠で支持したことはなかった」とフレミンググループとワイリーグループで量子光を使った新しい実験技術を開発している共同博士研究員の筆頭著者クアンウェイ・リー氏は述べた。

問題を複雑にしているのは、強力な超高速レーザーパルスで光合成分子を刺激することによって、光合成のその後のステップに関する詳細を明らかにする多くの研究が行われてきたことである。

最先端の実験で使用された装置の近くに立つ共著者のグラハム・フレミング氏（左）と筆頭著者のクアンウェイ・リー氏。 クレジット: Henry L/フレミング研究所

「レーザーと太陽光の間には強度に大きな違いがあります。典型的な集束レーザービームは太陽光よりも100万倍明るいのです」とリー氏は述べた。 たとえ太陽光の強度と一致する強度の弱いビームを生成できたとしても、光子統計と呼ばれる光の量子特性により、それは依然として大きく異なります。 同氏は、光子が吸収されるのを誰も見たことがないため、それがどのような違いを生み、それがどのような種類の光子であるのかは分からないと説明した。 「しかし、量子コンピューターを構築するためにすべての粒子を理解する必要があるのと同じように、生命システムを本当に理解し、再生可能燃料を生成する効率的な人工システムを作成するには、生命システムの量子特性を研究する必要があります。」

光合成は、他の化学反応と同様、最初は集合的な形で理解されました。つまり、全体的な入力と出力が何であるかを知っており、そこから個々の分子間の相互作用がどのようなものであるかを推測できました。 1970 年代と 1980 年代には、技術の進歩により、科学者は反応中に個々の化学物質を直接研究できるようになりました。 今、科学者たちは調査を始めています 制限に従う、個人 トウモロコシ、およびより高度な技術を使用した亜原子粒子スケール。

仮定から事実へ

個々の光子の観察を可能にする実験を設計するには、量子光学と生物学の最先端のツールを組み合わせた理論家と実験者からなるユニークなチームを編成する必要がありました。 「光合成を研究している人々にとっては、これらのツールを普段使用しないため、これは新鮮でした。また、量子光学を専門とする人々にとっても、これらの技術を複雑な生物学的システムに適用することについて通常考えていないため、それは新鮮でした」とウォーリー氏は述べた、研究に参加した人。 彼はカリフォルニア大学バークレー校の化学物理学の教授でもあります。

科学者たちは、自動パラメトリックダウンコンバージョンと呼ばれるプロセスを通じて単一の光子ペアを生成する光子源を作成しました。 各パルス中に、最初の光子、つまり「伝令」が高感度検出器によって検出され、2 番目の光子が光合成細菌から収集された光吸収分子構造のサンプルに向かう途中であることが確認されました。 別の光子検出器がサンプルの近くに設置され、元のペアの 2 番目の「ヘラルド」光子を吸収した後に太陽電池構造から放出される低エネルギー光子を測定しました。

LH2 と呼ばれる実験で使用された光吸収構造は、広範囲に研究されています。 波長 800 nm の光子は、LH2 内の 9 個のバクテリオクロロフィル分子のリングに吸収され、850 nm で蛍光光子を放出できる 18 個のバクテリオクロロフィル分子の 2 番目のリングにエネルギーを渡すことが知られています。 元の細菌では、光子からのエネルギーは、光合成の化学を開始するために使用されるまで、後続の分子に伝わり続けます。 しかし、実験では、LH2 が他の細胞機構から分離されたとき、850 nm の光子の検出が、このプロセスが活性化されたことを示す最終的な兆候として機能しました。

「フォトンが 1 つしかない場合、それを失うのは非常に簡単です。それがこの実験の主な困難であり、それが私たちが Photon Herald を使用する理由です。」とフレミング氏は述べました。 Photon Herald 検出イベント: 観察結果が単一の光子の吸収のみによるものであり、他の要因が結果に影響を与えないことを保証するための光子蛍光。

「まず第一に、この実験は個々の光子を使って何かができることを示したと思います。これは非常に重要な点です。」とウォーリー氏は言いました。 私たちの目標は、光合成複合体を介した個々の光子のエネルギー伝達を可能な限り短い時間的および空間的スケールで研究することです。

参考文献：「Single Photon Absorption and Emission from the Natural Photosynthetic Complex」Quanwei Li、Kaydren Orcutt、Robert L. Cook、Javier Sabines-Chesterking、Ashley L. Tong、Gabriela S. Schlau-Cohen、Xiang Zhang、Graham R. Fleming 著そしてK. ビルギッタ・ウォーリー、2023 年 6 月 14 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-06121-5