成功构建光合色素纳米环~有望开发新型光功能材料~

立命馆大学
V体育

　立命馆大学生命科学研究生院的民明仁教授、该大学生命科学研究生院硕士生石井达真、V体育工学研究科松原正吾助理教授合作，创造了与萘连接的叶绿素衍生物分子(几个纳米尺寸)由于有规律的自我积累而自发变大(数百纳米)

演示要点

〇〇我们发现，光合色素（叶绿素）分子的衍生物自组装而自发形成数百纳米大小的环状（环状）结构。
〇〇揭示了分子的自组装从纤维（绳）状结构转变为环状结构，并且还可以通过外部刺激来控制这种结构变化。
〇 在自然界中，光合天线器官通过将叶绿素分子排列成环形来发挥作用^※1存在，并且这种物质有望被开发成一种新材料，有助于提高人工光合作用和太阳能发电的效率。

研究结果摘要

　自然界中经常发现环状结构的分子和分子聚集体。例如，称为LH2的光合触角通过以蛋白质为模板将叶绿素分子排列成环形来发挥光合器官的作用。然而，人工构建环状分子和分子聚集体绝非易事。这次，我们发现通过使用与萘连接的叶绿素衍生物，分子自发聚集形成环形纳米结构。
　环状分子聚集体的自发形成本身就是一种极其罕见的现象，有望为构建环状结构提供新的指导。此外，由于这项工作使用了一种名为叶绿素的光功能分子，因此有潜力开发成新型功能材料，有望提高人工光合作用和太阳能发电的效率。

研究背景

　在自然界中，经常可以看到分子堆积形成的环状结构，这可以说是经过长期进化得到的最优解。例如，细胞中的微管是由蛋白质以环状积累和堆叠形成的，从而形成灵活而坚固的结构。另外，紫色细菌有LH2的光合天线器官中，使用环状蛋白质作为模板(模具)环状，可以有效地进行光合作用。换句话说，这个“环”的形状被认为具有重要的意义，人工环形分子聚集体的构建被认为会导致新型软材料的构建。

研究内容

　这次，研究人员开发了光合色素分子的衍生物(几个纳米尺寸)通过大量自组装形成一个大的环状分子聚集体(尺寸为数百纳米)生物体利用出色的分子系统轻松构建环形结构。为了构建环形结构，需要连接线状结构的起点和终点，据说人工做到这一点极其困难。即使线状分子聚集体生长，它们通常也只是简单地伸长。(图1, 左路线)然而，我们发现新创建的萘连接叶绿素衍生物通过自组装自发形成纳米尺寸的环状结构(图1, 正确路线)。

图1.分子聚集体形成途径示意图

这种叶绿素衍生物在低极性溶剂中自组装后，立即看到许多波状、线状的纳米结构，但发现随着时间的推移，纤维状结构变成了环状结构(图2)还揭示了当样品浓度低时更容易形成环结构，并且可以通过加热促进环结构的形成。此外，尽管形成了各种尺寸的环状分子聚集体，但我们通过使用过滤器过滤它们，成功地仅回收了较小的环。

图2.线状分子聚集体(左)环形分子组装体的原子力显微镜图像(右).

社会意义

在自然光合作用中，叶绿素分子是极其有用的分子，可以收集光能、传播光能并将其转化为电化学能。此次，我们以叶绿素分子为原料构建了环状分子聚集体，有望应用于人工光合天线、光存储材料等下一代光学功能材料。具体来说，一旦使用人工光合作用天线的聚光装置完成，它有望用于太阳能发电系统，即使在恶劣天气下也能有效发电。此外，如果制造出光存储材料，预计将有可能在白天存储光能并在夜间使用该能量。
　而且，就像这次的分子聚集体一样，它们被称为“绳”和“环”2通过利用两种结构变化来响应外部刺激2可以使用不同物理属性的智能材料^※2

论文信息

论文标题：萘联叶绿素二聚体的环形自组装
作者：石井辰马、松原正吾、民明均
出版杂志：Chemical Communications
发布日期：2023 年 1 月 26 日
DOI：101039/d2cc06368a
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术语解释

※1 光合触角器官：在光合作用时有效收集阳光能量的光合器官。

*2 智能材料：能够根据周围环境和外部刺激的变化而改变其结构和物理特性的尖端材料。

联系信息

研究相关

立命馆大学生命科学学院
玉木仁教授
电话：077-561-2765
电子邮件：tamiaki[at]fcritsumeiacjp

V体育工学研究科工学部（生命与应用化学领域）
松原正吾助理教授
电话：052-735-5285
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公共关系很重要

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