| Project/Area Number |
19KK0133
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
簡 梅芳 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (20533186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菅原 一輝 北九州市立大学, 国際環境工学部, 講師 (60792405)
久保田 健吾 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (80455807)
飯塚 淳 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (70451862)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | ニッケル / セレン / ヒ素 / 生物学的回収 / レアメタル / 生物濃縮 / 合成生物学 / 微生物工学 / 金属濃縮 / 分子生物工学 / 資源回収 |
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| Outline of Research at the Start |
現代産業に必要不可欠なレアメタル等の金属資源を廃棄物・排水から効率的かつ経済的に回収する技術の開発に向け、申請者らは生物学的な金属回収に着目し、「合成生物学」というゲノムのデザイン・部分的操作を可能にする進化型分子生物工学手法を取り入れる。
本研究は、日本側研究者が把握する金属結合生物資源（遺伝子情報）と海外研究協力者らが有する“部分的に遺伝子操作を可能にする「合成生物学」の技術力”を融合することで、新規金属資源回収技術を確立すること、また環境資源工学分野における両国間の人材育成と新しい共同研究の基盤を形成することを図る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
延長となった2023年度は、金属についてレアメタルのニッケル、セレン、そして有害金属についてはヒ素とカドミウムについて、それぞれの生物回収について研究を進めた。
ニッケルイオンに結合するタンパク質NikAとRcnRの遺伝子を細胞表面に発現する組換え酵母による広範囲（1~1000ppm）のニッケル吸着および両タンパクを提示した酵母による吸着挙動を比較した。また、組換え酵母はpH2~中性、塩分は0.1~3.5%に生育可能とし、ニッケルの回収条件として検討が広がったことも確認した。上記の結果を2023年8月国際会議WRI-17にて口頭発表を行った。
セレンに対して、セレン酸または亜セレン酸を還元する微生物を計24株単離し、そのうち異なる6株の単離菌に対してセレン耐性およびセレン還元能を調査したところ、6株とも亜セレン酸とセレン酸に強い耐性を有し、また、全ての菌株はセレン酸から亜セレン酸の還元がセレン除去の律速反応になっていることがわかった。これらの成果を2023年6月に環境バイオテクノロジー学会にポスター発表を行った。
一方、ヒ素の超蓄積植物モエジマシダの根分泌物とその根圏微生物の代謝産物、その他カドミウムと亜鉛の超蓄積植物ハクサンハタザオの根の分泌物試料を、共同研究先の台湾中央研究院に送り、LC-MS/MSを用いた代謝産物のメタボローム解析をしてもらった。その結果、モエジマシダの根圏微生物が分泌する環状ジペプチドを含む複数の代謝産物が植物の成長を促進し、結果としてヒ素超蓄積植物のバイオマス増加に寄与することがわかった。これらの結果を、現在英文論文に執筆中である。その関連成果を11月にヒ素シンポジウムにて口頭発表を行った。さらに、生物学的ヒ素除去は金属回収について、9月に国内学会の日本生物工学会と資源・素材学会に招待講演をし、また台湾に開催された国際学会にて招待講演を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
分子生物工学手法の導入による新規金属回収技術の実現を図る本研究は、共同研究先の台湾への渡航が2019-2022年と3年も遅れたため、台湾からの技術移転に大きな遅れが出ており、今でもまだ日本の研究室に技術移転できてない。しかし、2023年に代表者の簡が技術移転の取得と成果発表のため、共同研究先に３度渡航でき、さらに指導する学生の派遣にも達成した。１ヶ月間の滞在期間中、遺伝子導入のノーハウを取得し、また関連微生物試料・DNA試料を日本に送ってもらったため、あともう少しで構築ができると予想している。
一方、もう１つの課題であった、新規生物学的金属回収機能の獲得について、金属対象を当初のモリブデンから、金属資源としてはニッケル、セレン、また有害金属のヒ素やカドミウムについても広げた。
セレンについては、今後共同研究先と共同でゲノム解析することにより、セレン還元に関連する遺伝子の同定が予想できる。ヒ素やカドミウムについては、それぞれの超蓄積植物や根圏微生物の代謝産物を共同研究先の台湾中央研究院に送り、LC-MS/MSを用いた代謝産物のメタボローム解析をしてもらい、得られた結果を、現在英文論文に執筆中である。2023年度で行った研究成果は、合計国内学会４回（うち招待講演２回）、国際学会２回（うち招待講演１回）を行い、研究進捗の遅れを大きく取り戻していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
金属吸着遺伝子を合成生物手法により酵母に導入する件について、当初渡航を計画した代表者の簡と研究分担者の菅原はそれぞれ東北大学の准教授と北九州市立大学の講師に昇任し、長期間海外に出向いて実験するのが難しくなった。本研究が計画した研究進捗の遅れを取り戻す体制として、2024年度に新たに専任の研究員を一人雇用し、プロジェクトの内容を遂行する。2023年10月に博士後期課程に進学した博士学生とも中心となり、金属吸着遺伝子のゲノム導入技術を早期に研究室にて構築できるようにする。一方、金属吸着遺伝子の酵母への導入に関しては、2023年度末に学生を台湾中興大学生命科学研究科の協力研究者の黄先生の研究室に派遣した際に、遺伝子導入のスキルや諸条件を伝授いただいた。また、遺伝子導入時に使用する酵母株やプラスミドなどの試料をも送ってもらったため、金属を吸着する遺伝子を酵母のゲノムに導入し、効率的にかつ安定な金属吸着微生物の作成が成功する可能性が高いと言える。
その最初の対象金属として、これまで検討してきたニッケル吸着遺伝子のnikAとrcnRを検討する。続いて、他の金属資源の生物回収について、セレン還元菌によるセレン回収の現象を確認する上、これらの還元菌が保有するセレン還元に寄与する遺伝子をゲノム解読により特定する。その後、関連遺伝子を取り出して上記システムに導入すると考える。また、有害金属のヒ素やカドミウムについては、植物・微生物によるヒ素の効率的除去を実環境に適用し、土壌・微生物・植物間の相互作用をも検討し、現場に適用できる除去技術として検討する。
年度末には、共同研究者を仙台にお呼びして、国際シンポジウムを開催し本研究による成果を発信する。
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