触媒反応を利用した水素製造技術の構築。今後、ソーラー水素生成パネルを製作し、小型燃料電池への水素燃料供給源へ展開を進めます。Energy誌に論文発表。OCARINA)燃料としての付加価値が高いエタノールを太陽光エネルギーを利用し、二酸化炭素から生成可能な人工光合成系の構築を進めます。OCARINA)二酸化炭素を燃料に変換するための人工光合成系を構築するためには、二酸化炭素を有機分子に変換する反応を触媒する材料開発が必須です。二酸化炭素をギ酸に変換する反応を触媒する酵素“ギ酸脱水素酵素”に着目し、人工補酵素を分子設計・合成し酵素触媒機能向上につながる研究を進めています。着目し、スピルリナ由来の光合成膜を固定した電極を用いて、水と二酸化炭素を作動媒体とし、太陽光エネルギーで発電しながら二酸化炭素を削減します。低炭素燃料の代表でもあるメタノールを同時に生産できる革新的な光電変換系の構築を目指します。電極デバイス化とバイオ燃料変換系への展開」における成果。OCARINA)人が生きていく上で必須な「衣食住」の大部分は,植物や藻類の作りだす物質によって支えられています。この研究は,植物や藻類の酸素発生機構を理解するとともに,化石燃料や原子力に代わる代替エネルギー開発のために進められています。翌年2011年に,英国科学誌Natureに論文発表されました。2011年の米国Science誌の世界10大ニュースの一つに選ばれました。酸素を発生する中心構造。基質となる水分子は,マンガン原子とカルシウム原子に結合している。OCARINA)真夏の直射日光など,植物や藻類は日々過酷な環境条件にさらされています。この時,植物や藻類の細胞内では光を受容するアンテナ蛋白質の解離・集合が行われていますが,これらの構造変化と機能の相関は実は詳しく理解されていません。この研究は,環境変動による植物や藻類の複雑な光化学反応を理解するために進められています。よって進められています。当たり前の様に物質変換しています。この物質変換反応を常温、常圧の酸素大気下で、人工的に行う際の大きな課題として、酸素に反応を阻害される問題を克服する必要があります。一般的に、この反応は酸素により阻害されるため、酸素を除く必要があります。酸素除去のコストが人工光合成を実現するための一つの大きな問題として挙げられています。nmの細孔を持つ多孔質ガラス板の中に、酸素除去しない均一溶液系の効率の3300倍に飛躍的に向上しました(図2の■から●へ増大)。酸素大気下でも脱気した溶液系をも超えます(図2の□)。今後、太陽光により二酸化炭素をギ酸に変換する反応や、水を電子源とする反応系に挑戦する事で、最終的に、天然の葉と同じ機能を有する「ガラスの葉」を構築する事を目標とします。太陽光-物質変換反応の概要と酸素による阻害。葉の内部達成される光合成反応(左)と、多孔質ガラス内部で達成される反応(右)。nmの光化学系IIや光化学系Iにより、高効率な物質変換が達成される。nmの細孔が空いており、この中に光反応系が組み込まれている。OCARINA)天然物の中で極めて高い抗酸化作用を示すアスタキサンチンを高い含有率で蓄積するように遺伝子改変したレタスは、通常の光機能を担うカロテノイド色素をほとんど欠損しながらも、光合成的に生育します。我々は、生育時の光合成応答と合わせて、これらの外来カロテノイドがどこに存在するのかを決定し、この遺伝子改変レタスの光合成機能を解明しようとしています。この研究成果は、既に化粧品や機能性食品分野で市場が拡大しつつあるアスタキサンチンの安定生産の選択肢を増やし、健康寿命の延伸に寄与すると考えられます。伊福健太郎助教との共同研究です。「遺伝子改変によりアスタキサンチンを生産するレタスの新規光合成機能の解明」の成果。OCARINA)太陽光の利用には、集光メカニズムが重要です。緑色植物は太陽光の最もエネルギーの大きい緑色光をあまり効率よく利用できません。緑色光を効率よく光合成に利用する集光性アンテナタンパク質を持つものがあります。我々は、こういった特殊な海洋性光合成アンテナタンパク質に結合するカロテノイド、クロロフィルといった光合成色素の構造と集光機能を解明しようとしています。私は、褐藻類の光合成アンテナFCPに結合するフコキサンチンが、ゆでると不可逆的に遊離することに着目し、FCP内においてフコキサンチンが集積している構造が集光に重要であると着想しました。これよりフコキサンチンの集積で緑色光の集光を再現しようとしています。フコキサンチンは多孔質シリカに吸着させることにより画期的に耐久性が得られます。この吸着を制御することにより、フコキサンチンの集積に依存する電子励起状態の変化を観測する事が出来ました。Photobiol.に論文発表した。OCARINA)海の潮間帯に生息する深所型緑藻ミルは、緑色の光を光合成に利用できる光合成アンテナSCPを持っています。我々は、糸状体でこのミルを培養し、SCPを精製して色素組成を精査することにより、このSCPは、通常の緑藻でルテインというカロテノイドである部分がシフォナキサンチンというカルボニルカロテノイドに変わっているだけであるという事を明らかにしました。糸状体で培養し、これから光合成アンテナを精製して、その生育時の光環境に応答する色素組成とX線結晶構造解析を目指した結晶化を行っています。栗栖源嗣教授との共同研究です。)※本研究は、株式会社サウスプロダクトとの共同研究であるNEDO(H23.3~H24.2)の「海洋藻類を用いたカロテノイド及び色素結合型タンパク質の大量生産技術の開発」の成果を発展させたものである。OCARINA)海洋性光合成生物には、クロロフィルcというポルフィリン環とカルボン酸が共役系でつながった構造を持つ特徴的な集光性色素が見られますが、その物性の研究はあまり進んでいません。その理由として、含有率が低い事、有機酸のため溶解性が低く、分離する担体と強く相互作用するため、精製が困難な事が挙げられます。用いて担体を用いずにクロロフィルcを集積する事に成功しました。溶液のpH変化に応答して蛍光の量子収率が20%程変化する事を発見しました。今後は、分離手法の開発とともに、励起状態の物性を明らかにして行きたいと考えています。クロロフィルcの生体及び色素増感太陽電池における光励起状態の解明」の成果。「クロロフィルcおよび/またはキサントフィルを分離精製する方法」、「pH指示薬」として特許申請。利用して、太陽光と水から光合成的に水素を生産します。一般的な生物的水素生産は、酸素や窒素ガスにより活性が低下する問題があるため、コストのかかるアルゴンガスを必要とします。水素生産を行う酵素ニトロゲナーゼを遺伝子工学的に改変することにより、培養ガスの低コスト化と高効率化を目指します。酸素濃度は低く保たれているので、光合成による酸素発生と同時に水素生産を行える。OCARINA)水からの水素生成や環境中有害物質の分解を可能とする光触媒中の活性サイトの化学状態を明らかにし、その触媒中での分布をマッピングすることに成功しました。今後は、放射光分光や電子顕微鏡技術を融合した新しい分析法も構築しながら、人工光合成を実現する固体光触媒の設計開発を進めます。Analysis誌を論文発表。