光で駆動する触媒が光合成を模倣

• バイオハイブリッド光触媒として知られる新しい分子は、医薬品やその他の有用な化合物を生成する反応の収率を高めることができる。

• 新しいバイオハイブリッド触媒を作るため、研究者らは光合成を模倣し、2つの異なる要素を組み合わせることにした。

• 研究者らは今後、さまざまな光捕集タンパク質や触媒に置き換え、幅広い化学反応に応用できるよう手法を調整する計画だ。
  

MITの研究者らは、これを医薬品の生成に利用できると考えている。Image: 研究者提供

新しい種類の触媒の模式図。Image: 研究者提供

植物が糖を作るために使う光駆動プロセスである光合成を模倣し、MITの研究者らは、光を吸収してさまざまな化学反応を駆動する新しい種類の光触媒を設計した。

バイオハイブリッド光触媒として知られるこの新しい種類の触媒は、光を吸収し、そのエネルギーを金属含有触媒に伝える光捕集タンパク質を含む。この触媒はエネルギーを使って反応を起こす。こうした反応は、医薬品の合成や、廃棄物をバイオ燃料その他の有用な化合物に変換するうえで役立つ可能性がある。

「有害な条件や試薬を光に置き換えることで、光触媒反応は医薬品、農薬、燃料の合成をより効率的かつ環境に適合したものにできます」と、新研究の責任著者で、MIT化学科准教授のガブリエラ・シュラウ＝コーエンは述べる。

プリンストン大学およびノースカロライナ州立大学の同僚らと協力し、研究者らは新しい光触媒によって、試した化学反応の収率が大幅に高まることを示した。また、既存の光触媒とは異なり、この新しい触媒はあらゆる波長の光を吸収できることも実証した。

MIT大学院生のポール・チェサナが論文の筆頭著者で、論文は本日、学術誌Chemに掲載される。

高エネルギー反応

ほとんどの触媒は、反応が起きるために必要なエネルギー障壁を下げることで反応を速める。過去20年ほどの間に、化学者らは光からエネルギーを吸収できる触媒、すなわち光触媒の開発を大きく進展させてきた。これにより、追加のエネルギー入力がなければ起こり得ない反応も触媒できる。

「光触媒反応では、触媒が光エネルギーを吸収し、より高いエネルギーの励起電子状態になります。そしてそのエネルギーによって、基底状態のエネルギーしか利用できないとすれば、必要なエネルギーが大きすぎて実現できない反応性を生み出します」とシュラウ＝コーエンは述べる。

これは、植物が光合成で行うことに似ている。植物細胞の光合成装置には、クロロフィルなど、太陽光から光子を取り込む光吸収色素が含まれる。このエネルギーは次に別のタンパク質へ伝達され、ATPとして蓄えられる。そして、そのエネルギーを使って炭水化物が作られる。

これまでの光触媒研究では、研究者らは光の吸収と触媒作用の両方を1つの分子に担わせてきた。この手法には限界がある。使用される触媒のほとんどは特定の波長の光しか吸収できず、光を効率よく吸収しないためだ。

「光の捕集と触媒作用の両方を担う必要がある分子が1つだけだと、両方を同時に最適化することはできません」とシュラウ＝コーエンは述べる。「そのため、自然界のシステムは両者を分けています。光合成では、専用の仕組みがあり、一部のタンパク質が光を捕集して、そのエネルギーを触媒作用を担うタンパク質へ直接受け渡します。」

新しいバイオハイブリッド触媒を作るため、研究者らは光合成を模倣し、光を集める要素と化学反応を触媒する要素という2つを組み合わせることにした。光捕集成分には、紅藻に含まれるR-フィコエリスリン（RPE）と呼ばれるタンパク質を用いた。このタンパク質を、単独でも光触媒反応に使われてきたルテニウム含有触媒に結合させた。

フェリックス・カステリャーノ化学科教授が率いるノースカロライナ州立大学の研究者らと協力し、シュラウ＝コーエンの研究室は、光捕集タンパク質が効果的に光を取り込み、触媒へ伝達できることを示した。次に、化学科教授で、近年ノーベル化学賞を受賞したデイヴィッド・マクミランが率いるプリンストン大学の研究者らが、2種類の化学反応で触媒の性能を試験した。1つはチオールとアルケンを結合してチオエーテルを形成するチオール・エンカップリングで、もう1つはペプチドカップリング後に残ったチオール基をメチル基に置き換える反応である。

プリンストン大学のチームは、新しいバイオハイブリッド触媒により、ルテニウム光触媒を単独で使った場合と比べ、これらの反応の収率が最大10倍に高まることを示した。また、赤色光の照射下でも反応が起きることを確認した。これは既存の光触媒では実現が難しかった。赤色光は望ましくない副反応が少なく、組織への損傷も小さいため、生体系で利用できる可能性がある。

化学合成

研究者らによると、性能が向上したこの光触媒は、本研究で試験した2つの反応を用いる化学プロセスに組み込める可能性がある。チオール・エンカップリングは、タンパク質のイメージングやセンシング、薬物送達、生体分子の安定化に使われる化合物の生成に役立つ。一例として、抗原ワクチン候補の取り込みを容易にする可能性があるリポペプチドの合成に使われている。研究者らが試験したもう一方の反応であるシステイニル脱硫反応は、ペプチド合成に幅広く応用されており、HIV治療に使える可能性のある薬剤エンフルビルチドの製造にも用いられる。

この種の光触媒は、リグニン解重合と呼ばれる反応を駆動するためにも利用できる可能性がある。これにより、分解が難しい木材やその他の植物材料からバイオ燃料を生成できる可能性がある。

研究者らは今後、さまざまな光捕集タンパク質や触媒に置き換え、幅広い化学反応に応用できるよう手法を調整する計画だ。

「光捕集機能と触媒機能を分離できるという原理実証を行いました。今後は触媒部分と光捕集部分を変えて、その手法を拡張し、異なる溶媒や反応でも機能するかを調べたいと考えています」とシュラウ＝コーエンは述べる。

この研究は、米国エネルギー省科学局の助成を受けたBioinspired Light-Escalated Chemistry（BioLEC）エネルギー・フロンティア研究センターの一環として支援を受けた。