The quantum chemical search for photosynthetic pigments utilizing NIR radiation and oxidizing water

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K13988
• Research Institution: Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences
• Principal Investigator: 小松 勇 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, アストロバイオロジーセンター, 特任研究員 (20769757)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: アストロバイオロジー / 光合成色素 / 量子化学計算 / 太陽系外惑星

Outline of Annual Research Achievements

太陽系外惑星における光合成生物の痕跡を検出するために、レッドエッジという700nm付近で植生の反射率が大きく増大する分光学的特徴を検出することが提案されている。レッドエッジを示す波長は、光合成色素クロロフィルの主な光吸収帯によって決まっている。現在の観測ターゲットである低温度星周りの惑星では近赤外光が卓越するので、光環境に順応した色素に応じてレッドエッジを示す波長域が変わるかも知れない。本研究では植物がクロロフィルよりも長波長の光を吸収する分子を持つ可能性が物理化学的な観点からどの程度現実的であるかを示すために、近赤外光を吸収しつつ水を酸化する酸化還元力を有する分子を量子化学計算によって探索した。これによって、惑星における液体の水、酸素、植生の観測可能性への示唆に繋げたい。
本年度は、光合成色素やそれ以外の大きな環状分子を対象に、様々な手法や精度で励起状態を算出することを継続しつつ、酸化還元電位の評価もいくつかの計算方法で行った。単量体だけでなく、光合成の反応中心で重要な２量体の計算も一部行った。特に、光合成反応中心のスペシャルペアとして機能している色素である、クロロフィルa、バクテリオクロロフィルa、b、gに関してはより詳細な酸化還元力の推定を行った。具体的にはADMPを用いて温度を与えて時間発展させた上で、酸化還元ポテンシャルを算出しており、精度を変えて評価している。量子化学計算による計算の実行を継続しつつ、機械学習を用いた物性推定に移行する。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

光合成反応中心のスペシャルペアに採用されている光合成色素の酸化還元電位のより正確な推定が重要になるので、Gaussianを用いたADMPによって温度をいくつか与えて時間発展を追った上で精度比較するなど、多くの試行を要した。一方、分子２量体についてのBethe-Salpeter法による信頼性の高い電子励起状態の計算は想定していた計算精度ではマシンのメモリが足りず実行が難しく、TDDFT計による結果で代用することが現実的であることがわかった。このようにコストのかかる計算を想定以上に要した。

Strategy for Future Research Activity

酸化還元電位の詳細な算出を継続しつつ、さらに他の分子についての励起状態、酸化還元力を適度な精度で推定していく。蓄積したデータを既存のデータベースと接続して、機械学習によって低精度の計算結果から高精度の量が推定できないかを調べる。

Causes of Carryover

COVID-19の影響が続いており、計画していた対外発表を見送っている。2023年度は時期をみて、国内外の研究発表、計算資源補強を検討していく。