東大ら，量子輸送ネットワークでクロロフィルを解析

東京大学，基礎生物学研究所，分子科学研究所，韓国エネルギー工科大学は，エネルギーの流れを分子レベルで可視化する，量子輸送ネットワーク解析という新たなアプローチを用いることで，光合成を担うクロロフィルの組成の意義を明らかにした（ニュースリリース）。

植物は，光合成を行なうために光合成色素であるクロロフィルaとクロロフィルbを進化の過程で獲得してきた。光合成において中心的な役割を担う光化学系Iおよび光化学系IIにはクロロフィルaのみが含まれるが，光を集める役割を果たす，集光アンテナ複合体（LHCII）にはクロロフィルaに加えてクロロフィルbも含まれており，エネルギーの捕集と輸送に関与している。

このLHCIIにおいて，これら二種類のクロロフィルが現在の比率と配置で共存していることの意義や，それによって得られる利点については，長年にわたり明らかにされていなかった。

研究グループは，エネルギーの流れを分子レベルで可視化する，量子輸送ネットワーク解析という新たなアプローチを用いることで，この長年の謎に迫った。この手法では，クロロフィル分子間で起こるエネルギーのやり取りを量子力学とネットワーク理論に基づいてモデル化する。

従来見過ごされてきた非局在化などの量子効果も取り込むことで，光合成の内部動態をより高精度に捉えることが可能になった。さらに，エネルギーがどの経路を通り，どのように渋滞や迂回を回避して目的地にたどり着くのか，その全体像を，交通網として捉えることで，効率とリスク回避の両立を図る設計原理を可視化することが可能になった。

研究グループは，光化学系II（PSII）がLHCIIと結合されているPSII-LHCII超複合体の分子構造に基づき，計算機上にエネルギー輸送ネットワークを構築した。そして，このネットワークモデルに対して量子ダイナミクス計算を適用することで，超複合体内部におけるエネルギーの流れや，クロロフィルが吸収したエネルギーが光合成に利用される効率を定量的に評価することに世界で始めて成功した。

その結果，LHCII内におけるクロロフィルaとbの最適な配置が，光合成効率の向上に寄与するだけでなく，強い日差しといった過酷な光環境下で自らを保護する光防御機能を効果的に発揮することが明らかになった。

研究グループは，この研究は，緑色植物が進化の過程において光合成の効率だけでなく，安全性も同時に考慮した構造的選択を行なってきたことを示唆する重要な成果だとしている。