岡山大学異分野基礎科学研究所

Research Institute for Interdisciplinary Science, Okayama University

第1部会

研究所・センターの概要

所長
沈　建仁
Shen, Jian-Ren

キーワード: 数理科学、量子宇宙、光合成・人工光合成、進化、構造生物学、錯体化学、超伝導、有機エレクトロニクス・材料科学、理論化学
住所: 〒700-8530
岡山市北区津島中三丁目1番1号

従来の研究分野間の壁を乗り越える新しい学問体系の構築を目指す

異分野基礎科学研究所は、岡山大学においてこれまで活発に展開されてきた量子宇宙、天然光合成・人工光合成・構造生物学、ならびに超伝導・機能材料研究を、統一的かつ組織的に遂行するために2016年（平成28年）に設置された新しい研究所です。上記の研究テーマは、これまで異なる分野の研究者によってそれぞれ独立に取り組まれてきましたが、本研究所ではこれら異なる分野の研究者の視点を融合して新たな学問体系を構築することを目指しています。2021年（令和３年）３月には異分野基礎科学研究所の研究棟新営工事が竣工し、これまで点在していた研究室を集約し、異分野融合研究の発展・推進を図っていきます。また、2023年（令和５年）４月１日に、研究所附属の「国際構造生物学研究センター」が設置され、岡山大学独自に導入するクライオ電子顕微鏡及びJ-PEAKS事業の一環として導入予定(R７年度)のクライオトモグラフィー装置を中心に、大学全体の構造生物学関連研究者を結集して、同分野の研究を展開・進化していきます。

令和6年度の研究活動内容及び成果

好酸性紅藻由来光化学系I-アンテナ色素複合体のクライオ電子顕微鏡構造解析

光化学系I (PSI) は天然光合成において、光エネルギーを利用して水由来の電子をNADPに渡すことで、光エネルギーを化学エネルギーに変換するタンパク質複合体である。光エネルギーの吸収はアンテナ色素タンパク質Light-harvesting complex (LHCI)によって行われ、いくつかの光合成生物由来PSI-LHCI超分子複合体の構造が解析されている。しかし、光環境の違いによって、PSI-LHCIの構造には大きな違いがある。我々はクライオ電子顕微鏡を用いて、好酸性 (pH2.0で生育)紅藻Cyanidium caldarium由来PSI-LHCIの構造を1.92 Å分解能で解析し、当該紅藻におけるLHCI複合体の構造、光エネルギーの伝達機構、すでに報告されている紅藻Cyanidioschyzon merolae PSI-LHCI構造との相同性と相違点、及び進化におけるLHCIの変化を明らかにした（PNAS, 121, e2319658121, 2024）。

図１．紅藻C. caldarium由来PSI-LHCIの構造。A, LHC1を標識したもの；B, PSIコアサブユニットを標識したもの。

結晶中のトリウム229原子核アイソマーのＸ線による制御

トリウム229（²²⁹Th）は、原子核としては極めて低エネルギーかつ長寿命の第一励起状態（アイソマー状態）を持つことで知られており、この特異な原子核状態は真空紫外（VUV）レーザーによって励起可能であることから、超高精度な原子核時計への利用が期待されている。原子核時計を実現するためには、²²⁹Thアイソマー状態への励起、およびその脱励起の制御が不可欠である。本研究では、VUV透過性を持つCaF₂結晶中の²²⁹Thを高輝度Ｘ線を用いてアイソマー状態に励起し、それが基底状態にもどる際の真空紫外光の検出に成功した。さらに、X線照射によってアイソマー寿命を10分の１程度に短くできる「X線クエンチ効果」を新たに発見し、将来の原子核時計実現に向けて、その寿命の短縮と制御が可能であることを示した（Nat. Commun. 15, 5536, 2024)。

図２． A−右：アイソマー状態からの真空紫外光の時間変化，Ａ−左：Ｘ線照射直後の真空紫外光（アイソマー状態の生成数に相当）のＸ線照射時間による変化。Ｂ: Ｘ線ビーム強度を変化させたときの，クエンチ倍率（寿命がQF分１になる）の変化

社会との連携

岡山大学異分野基礎科学研究所公開講座「光の実験―レーザーで遊ぼう－」

2024年（令和６年）８月17日に中学生以上の方等を対象にした公開講座「光の実験―レーザーで遊ぼう－」を実施した。光の偏光について紹介し、実際にレーザーや偏光板、波長板などを参加者たち自ら組み合わせ、偏光がどのように変化するかを体験してもらった。また砂糖水によって偏光が回転する様子を測定し、偏光が身近にあることを実感してもらった。研究所の実験室ツアーも実施し、最先端の実験装置群を見学してもらった。参加者からは、「実験は楽しい」、「偏光の実験が面白かった」、「実施回数を増やしてほしい」などのコメントがあり大変好評であった。