植物や藻類が太陽の光エネルギーを利用して水と大気中の二酸化炭素から糖を合成し、酸素分子を放出する反応は、光合成として知られています。光合成は、光化学系IIと呼ばれる、約20個のタンパク質とクロロフィル、カロテノイドなどの集光色素からなる複合体が光エネルギーを吸収して効率よく利用し、水分子から電子と水素イオンを取り出して酸素分子を形成する反応から始まります。光化学系IIが反応を触媒する詳細な仕組みを解明し、人工的に利用することができれば、光エネルギーを利用して、水から電子と水素イオンを取り出し、有用な化学物質を作り出す「人工光合成」の技術開発にもつながると期待されています。
光化学系IIは、光エネルギーを利用して非常に安定な水分子から電子と水素イオンを取り出す反応を温和な条件下で触媒する巨大な膜タンパク質複合体です。これまで沈教授、菅教授らのグループは光化学系IIの高い品質の結晶を用いて、放射光施設SPring-8の強力なX線や、X線自由電子レーザー施設SACLAの強力なX線パルスにより、その構造を2011年および2015年にそれぞれ解析して、水分子を分解する触媒部分の正体はマンガン（Mn4CaO5）クラスターで“ゆがんだイス”の形をしていることを英国科学誌「Nature」に報告してきました（図2）。触媒が“ゆがんだイス”の形をしているのはタンパク質の内部に存在しているためであり、S状態と呼ばれる反応サイクルの途中で触媒の形が変化して酸素分子を形成するためと考えられています。沈教授、菅教授らは2017年および2019年にS3やS2状態と呼ばれる反応中間体や酸素分子を形成する直前の状態の構造を解析し、基質である水分子を取り込んだ後の触媒の様子を捉えることに成功し、英国科学誌「Nature」と米国科学誌「Science」にそれぞれ報告してきました。
　わたしたちが普段目にしている世界を高速カメラで見ると、全く違うものに見えることはよくあることです。例えばドライブレコーダーの映像ではLED信号機の光が点滅しているように見えます。これと同じで、これまでの解析は触媒に水分子が取り込まれた後の「準安定」な姿を捉えたものであり、その途中に何が起こっていたのかはわかりませんでした。従って、反応の途中に酸素の材料となる水分子がいつ、どこを通って触媒まで到達するのかも不明でした。また巨大なタンパク質の内部をとても小さな電子が高速で移動する瞬間や、化学結合が形成される瞬間において、タンパク質がどのように動く（振る舞う）のかということは一般的によくわかっていません。しかし、持続時間が数十フェムト秒（1フェムト秒は1000兆分の1秒）のX線自由電子レーザーのX線パルスを用いれば、タンパク質の動きを高速カメラのように捉えることが可能となります。