大型放射光施設 SPring-8

公開日

2023年02月08日

2023年2月8日
高輝度光科学研究センター
ベルリン工科大学
フンボルト大学ベルリン
マックスプランク研究所
ドイツシンクロトロン放射光

【研究の背景】
　地球温暖化の深刻な影響が世界各地で顕在化する中、化石燃料の使用をゼロにし二酸化炭素を排出しないことは人類にとって急務となっています。水素は燃焼や発電の際に二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギーとして知られ、その利用の拡大が期待されています。そのような状況の中、水素の状態を自由にハンドリングする技術を持つことは極めて重要となります。一般に知られている燃料電池は水素を燃料として発電し高い発電効率を誇っていますが、高価なプラチナを含む電極が用いられており、普及へのハードルとなっています。
　一方、自然界には水素分子を水素原子と電子に分解または水素分子を可逆的に生成するヒドロゲナーゼと呼ばれる酵素を持つバクテリアが存在します。ヒドロゲナーゼの活性中心は、地球上に豊富に存在し比較的安価な鉄やニッケルなどの金属しか含まず、反応は常温常圧で行われます。そこで燃料電池の電極などに利用すべく、活性中心の構造を模した人工触媒の探索が盛んに行われています。そのような中、ヒドロゲナーゼの活性中心が自然界でどのように構築されるかを知ることは人工触媒や人工酵素を開発する上で、非常に重要な指標となります。

【研究内容と成果】
　図1に示されているように、鉄とニッケルを1原子ずつ内包する[NiFe]ヒドロゲナーゼの活性中心の構造はＸ線構造解析などによりよく知られていました。しかしながら、この活性中心がどのように自然界で構築されるか示す直接的な証拠はこれまでありませんでした。今回、鉄とニッケルが取り込まれる各段階での単離と精製に成功し、生化学的手法ならびにさまざまな先進的分光技術を駆使して活性中心が構築される過程が解析されました。その解読された結果を図2に示します。特にSPring-8とPETRAIIIを利用した核共鳴振動分光法^※3では活性中心が構築される過程で水酸（OH）基が鉄とニッケルを架橋することを明らかにしました。図3に３つの構築段階における核共鳴振動スペクトルから導出された鉄原子の部分状態密度を示しますが、この鉄原子の振動の状態を解析することにより活性中心全体の結合の様子が判明しました。

【今後の展開】
　この研究により、水素を触媒する[NiFe]ヒドロゲナーゼの複雑なコアである活性中心の構築過程に関する詳細な洞察が与えられました。これは持続可能でクリーンな水素社会実現に向けて、より性能の高い人工触媒・人工酵素を作製する際の重要な知見となることが期待されます。さらに、単離された中間体は、(半)人工 [NiFe]-ヒドロゲナーゼを研究するための理想的なプラットフォームを提供し、代替触媒機能を備えた人工酵素を生成する可能性を秘めています。

【用語解説】