自然界は、地球上のほぼすべての生命を直接または間接的に支えている光合成を完成させるために、数十億年の歳月をかけてきた。その間に、この過程は、受容体から、エネルギーを利用できる反応中心へ太陽光のエネルギーを輸送する効率をほぼ100パーセントに達させた。これは、最良の太陽電池をもはるかに凌ぐ性能である。
植物がこの効率を実現する方法の一つは、量子力学の特異な効果を利用することである。時に「量子の奇妙さ」と呼ばれるこれらの効果には、粒子が同時に複数の場所に存在できる能力が含まれる。MITの技術者らは、この効果を利用して、光捕集システムの効率を大幅に高めることに成功した。
意外なことに、イタリアのエネルギー企業であるEniとMITの研究者らは、この新たな太陽エネルギーへのアプローチを、先端材料やマイクロチップではなく、遺伝子操作されたウイルスを用いて実現した。
量子研究と遺伝子操作を組み合わせたこの成果は、今週、学術誌『 Nature Materials』に発表されたもので、エネルギー関連の作業を行うためのウイルス工学の専門家であるMIT教授アンジェラ・ベルチャー氏と、量子理論とその応用可能性の専門家であるセス・ロイド氏、研究員のHeechul Park氏、そしてMIT、Eni、イタリアの大学に所属する14名の共同研究者による成果である。
機械工学の教授であるロイド氏は、光合成では、光子がクロモフォアと呼ばれる受容体に当たり、それが今度はエキシトン（エネルギーの量子粒子）を生じさせると説明する。このエキシトンは、エネルギーが利用されて生命を支える分子が作られる反応中心に到達するまで、あるクロモフォアから別のクロモフォアへと跳び移っていく。
しかし、この跳び移りの経路は、量子効果を活用しない限りランダムで非効率である。量子効果によって、エキシトンは実質的に複数の経路を同時にたどり、最良のものを選び取ることができ、その振る舞いは粒子というよりも波に近いものとなる。
このような効率的なエキシトンの移動には、一つの重要な条件がある。クロモフォアを、互いの間隔がちょうど適切な量になるよう正確に配置しなければならないということだ。ロイド氏によれば、これは「量子ゴルディロックス効果」として知られている。
ここでウイルスが登場する。ベルチャー氏が長年扱ってきたウイルスを改変することで、研究チームは、それを複数の合成クロモフォア（この場合は有機色素）と結合させることに成功した。その後、研究者らは、合成クロモフォア同士の間隔がわずかに異なる多様な種類のウイルスを作製し、最も性能の良いものを選び出すことができた。
最終的に、研究チームはエキシトンの速度を2倍以上に高め、消散するまでに移動できる距離を延ばすことに成功した。これは、プロセスの効率における大幅な改善である。
このプロジェクトは、イタリア・ノヴァーラにあるEniの研究所で開催されたワークショップから始まった。ロイド氏と、生物工学の教授であるベルチャー氏は、それぞれが取り組んできた異なるプロジェクトについて報告していたが、Eniの研究者らとともに、大きく異なる専門性を包含するプロジェクトの可能性について議論を始めた。主に理論的研究を行っているロイド氏は、ベルチャー氏が扱うウイルスが、量子効果を支えうる適切な長さスケールを持っていると指摘した。
2008年、ロイド氏は、光合成生物がこれらの量子効果によって光エネルギーを効率的に伝達していることを示す論文を発表していた。ベルチャー氏の、改変ウイルスを用いた研究報告を目にした際、自然界の効率に近づくため、同様の効果を人工的に誘発する手段となり得るのではないかと考えた。
「この効果を実証するために使える潜在的なシステムについて話していたところ、アンジェラが『それならもう作っているよ』と言ったんだ」と、ロイド氏は振り返る。やがて、多くの分析を経て、「ウイルスが光を捕集する仕組みを再設計し、それを量子領域に到達させるための設計原則を考え出した」のである。
2週間以内に、ベルチャー氏のチームは改変ウイルスの最初の試験版を作製した。その後、受容体と間隔を完成させるために、数か月にわたる作業が費やされた。
ウイルスの改変が完了すると、研究チームはレーザー分光法と動的モデリングを用いて、光捕集プロセスが実際に働く様子を観察することができた。そして、新たなウイルスが、実際に量子コヒーレンスを利用してエキシトンの輸送を強化していることを実証した。
「本当に楽しかった」とベルチャー氏は語る。「異なる［科学の］言語を話す私たちのグループが密接に協力して、この種の生物を作製し、データを分析した。だからこそ、私はこの成果に大きな興奮を覚えているのです。」
この初期結果は、実用的なシステムというよりも本質的には概念実証であるが、研究チームによれば、安価で効率的な太陽電池や光駆動型触媒反応につながりうるアプローチへの道筋を示すものである。これまでのところ、改変ウイルスは入射光からエネルギーを集めて輸送するものの、太陽電池のように電力を生み出したり、光合成のように分子を生成したりするまでには至っていない。しかし、エキシトンが行き着くウイルスの末端に、そのような処理が行われる反応中心を付加することで、これは実現しうる。
「これは刺激的で質の高い研究です」と、本研究には関与していないハーバード大学の化学・化学生物学教授であるAlán Aspuru-Guzikは述べている。同氏によれば、この研究は「理論の第一人者（ロイド）と実験の第一人者（ベルチャー）の成果を組み合わせたものであり、生物学から物理学、さらには将来の技術の可能性にまで及ぶ、真に学際的で刺激的な組み合わせである」という。
「制御可能なエキシトン系へのアクセスは、この分野の多くの研究者が共有する目標である」とAlán Aspuru-Guzikは付け加える。「本研究は、エキシトンの流れをより高度に制御できるデバイスの開発を可能にしうる基礎的理解をもたらすものである。」
本記事は MITとの協力により掲載されたものです。 本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の承認を意味するものではありません。
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執筆者：デイビッド・L・チャンドラーは、1975年以来科学について執筆しているフリーランスのライター兼著述家である。現在はカリフォルニア大学バークレー校の化学部門でブルース・マハン化学教授を務めている。1966年にMITで化学の学士号（S.B.）を、1969年にハーバード大学で化学物理学の博士号（Ph.D.）を取得している。
画像：Molecular Genetics Technical Scientists（医科大学の遺伝学センターで作業する様子）。REUTERS/Jim Young。
