銅イオンに水酸化物イオンが結合した構造がCuNIR中で本当に安定して存在できるかどうか、実験的証拠は得られていませんでした。今回の研究グループの結果は、銅イオンに水酸化物イオンの結合した構造がCuNIR中で安定に存在できることを示しており、後者の反応機構を支持するものと言えます。上はX線結晶構造に基づいて従来考えられていた機構。下は量子化学計算が支持する機構。結果は下の機構を支持した。ひとつの知見として、量子化学計算によって予想されていたタンパク質内電子移動経路に関するものがありました。CuNIRは分子表面から電子を受け取り、この電子がタンパク質内部を流れ、活性中心の銅イオンへと移動します。量子化学計算を用いた研究から、電子移動経路には水素結合が存在すると予想されていましたが、実験的な証拠はありませんでした。これはこの水素が関与する水素結合が強固であることを示しています。強固な水素結合はこの上を流れる電子の移動に有利に働いていると考えられます。CuNIRが担う化学反応において、この電子移動はその土台を支える非常に重要な機構ですが、今回観測した強固な水素結合は中性子を用いた研究ならではの成果と言えます。強固な水素結合を有するHis134はNε原子を介して活性中心の銅イオンと結合している。Nδ原子上の水素原子は完全に重水素原子に置換されていた。ピンク色と赤色はコントラストの違いを示す)。より取得した精密な全原子構造情報を用いて、CuNIRの活性中心の銅イオンに水酸化物イオンが結合した状態を可視化し、量子化学計算により予想された化学反応機構が正しいことの実験的証拠を世界で初めて示しました。タンパク質内電子移動経路に関するデータから、脱窒過程の鍵酵素であるCuNIRの反応機構についての詳細がより明らかになりました。シームレスに繋ぐものであり、「原子」から「量子」レベルの生命現象の理解に一歩近づいた成果であると言えます。今回の成果は、水素イオンや電子の移動といった、CuNIR中で進行する化学反応の各段階を適切に促進あるいは制御できる技術の基盤となり得るものであり、脱窒作用の働きを強化した微生物の利用や、人工酵素の開発といった産業応用にもつながると考えられます。したがって、将来的には、二酸化炭素をしのぐ温室効果ガスである一酸化二窒素ガスの低減による大気環境の改善ひいては地球温暖化の軽減に、あるいは、肥料として環境中に過剰流入した窒素化合物の低減による環境汚染の改善が期待できます。CuNIRの反応のように電子と水素イオンの移動が同時に関わる化学反応は、光合成や呼吸をはじめ、地球上の全生物の代謝において普遍的に見られる現象です。今回の研究で、こうした生命現象の根幹をなす重要な化学反応の理解には、水素原子の直接観測に長けている中性子構造解析が非常に有効であることが明らかになりました。いう領域を切り拓くことを目指していきます。補助を受けたものです。触媒する酵素で、自然界の様々な微生物に広く見つかっています。CuNIRは同じ構造を持つ単量体3つからなる3量体構造を取り、各単量体あたり2つの銅イオンを含んでいます。このうち片方の銅イオンが触媒反応の行われる活性中心を形成しています。されたビームを、検出器を用いて測定し、その回折強度分布から計算によって分子の立体構造を導くことができます。X線結晶構造解析と言います。X線は原子の有する電子と相互作用するため、水素のような原子番号が小さく電子数が少ない原子からのX線回折強度は弱く、水素原子位置の観察が困難です。遜色なく水素原子を観察できます。水酸化物イオンは様々な物質と結合し、化合物を作ります。形づくる化学結合には電子が関与しており、多くの化学反応ではこの化学結合の組み換えがおこなわれます。したがって、化学反応の詳細を知るためには、電子の振る舞いを知ることが重要ですが、電子のような微視的な世界における現象を扱うためには、量子力学を用いねばなりません。量子化学計算は、量子力学に基づいて、化学物質を構成する電子の振る舞いを予測し、その物質の構造や反応性を理論的に予測するための計算です。水素原子が他の原子と結合を作ると、一般的に電気的に弱いプラスの性質を持ちます。電気的に弱いプラスの性質を持った水素原子は、その周囲にある弱いマイナスの性質を持った原子と相互作用することができ、これを水素結合と呼びます。分子量の小さい水が100°Cという高い沸点を示すのは、比較的強い相互作用である水素結合によって水分子どうしがネットワークを形成しているためです。水素結合は生体物質に取っても欠かせない相互作用で、例えばタンパク質やDNAの立体構造を保つなど重要な働きをしています。設置した2本の中性子ビームラインのうちの一つです。共同で運営している加速器実験施設で、MLFでは加速した陽子が水銀に当たって発生する中性子を使っています。存在する水素原子の一部を水素の安定同位体である重水素原子に置き換える手法。行う前に、重水素を含む溶液に結晶を長時間浸すことでおこないます。重水素に置き換わりにくい水素は周囲の原子と強固な水素結合を形成していると考えられています。水素では負、重水素では正のシグナルとして観察できますので、水素と重水素を明確に識別することが可能です。