研究背景

　身の回りには不思議な自然現象が溢れています。ふと立ち止まってそのカラクリを考えてみると、素朴な疑問が次から次へと湧いて出てきます。小さい子供はよくナンデ？ナンデ？と周りに問いかけますが、全てのナンデに答えるのは容易ではありません。例えば、鳥の飛ぶ姿を見てナンデ？と聞く。それに対して餌を探すためと答える→ナンデ？と聞く→お腹が減るからと答える→ナンデ？と聞く→食べた物が消化されちゃうからと答える→ナンデ？と聞く、、、という風に延々と続きます。素朴な好奇心を満たすための一種のゲームなわけですが、研究の本質はまさにこのようなナンデ？の追求になります。結局、研究と言っても、いい大人がこのナンデナンデゲームを続けているだけなのですが、このナンデ？をひたすら続けていくと最終的にはミクロの世界の本質を端的に説明する必要に迫られます。これを実際に実験で調べようとすると、ナノ（10^-9）メートルという微小空間で生じるフェムト（10^-15）秒という超短時間スケールの物理現象まで観察することが不可欠となります（図１）。

図２．光合成光反応の多段階プロセス 

　1980年代に膜タンパク質の結晶構造が解かれ、オングストローム（10^-10メートル）レベルの原子分解能でタンパク質構造が可視化されたことで学術的に大きく前進しました。最近ではX線結晶構造解析法やクライオ電子顕微技術の発展により、複数多種のタンパク質が集まって機能ユニットを形成した超複合体の構造も分かるようになってきました（図２）。エネルギー移動や電子移動を媒介する機能分子が最適な相対距離や配向を保ちつつ、タンパク質骨格に上手く配置されています。さらに、機能分子と近傍アミノ酸残基との相互作用が調整され、エネルギー準位や酸化還元電位が最適化されることで、エネルギーや電子の流れが制御されると考えられています。しかし、金属などの固体物質とは異なり、タンパク質の構造自由度は高く、ミクロ領域で眺めてみると骨格構造は絶えず熱的に揺らいでいます（図４）。また、エネルギー移動や電子移動などの光反応に付随して構造が変動することも知られています。そのため、エネルギーや電子の流れを制御するのは口で言うほど簡単ではありません。それにもかかわらず、生体系は非常に安定に機能しているように見えます。では、どのように安定・高効率な機能を実現しているのでしょうか？何か巧妙な仕掛けがあるはずです。生体系の核心に迫る重要な問題ですが、実験的に解析するには技術的なハードルが高く、未解明のまま残されています。さらに、これに加えてミクロの領域では量子的な効果も顔を覗かせます。例えば、複数の分子状態が混ざり合って空間的に非局在化したり、ポテンシャルの壁を突き抜けて状態遷移が生じたり、波として状態が干渉したり、我々の日常的な感覚とは全く異なる物理現象が反応を支配します。もしかすると生物は我々よりも量子の世界を深く理解し、エネルギーや電子の流れの制御に巧みに利用しているのかもしれません。しかし、生体量子効果は実証されたわけではなく、仮説の域を出ていません。これらを実験的に検証するには技術的なバリアを乗り越える必要があります。そこで私達は、光学顕微技術とレーザー分光技術を組み合わせた独自の手法を開拓することで、生体内のミクロ世界で生じる物理現象の実験観測に挑んでいます。