地下生命圏における炭素循環研究の深化ー微生物代謝速度の定量化ー

• Project/Area Number: 22K18427
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 風呂田 郷史 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 地質調査総合センター, 研究員 (30804778)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 辻村 清也 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30362429) ; 延 優 (NOBUMASARU・KONISHI) 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (40805644) ; 金子 雅紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 地質調査総合センター, 主任研究員 (80633239) ; 五十嵐 健輔 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (90759945)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2024: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2023: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
• Keywords: 地下生命圏 / 炭素循環 / 生物地球化学 / 電気化学 / 有機地球化学

Outline of Research at the Start

生命活動の根幹は「電子の授受」による代謝である。従来の研究手法では、生命活動の「静止画」を一時的な物質の存在量から捉えることしか出来ておらず、実環境における生命活動の『速度』を動的に直接捉える方法はない。本研究では、電気化学技術を用いて地下微生物の代謝活性度を電流として直接的に定量する方法を構築する。その技術を最先端のゲノム解析技術と融合させ、主要な代謝系の『経路』と『速度』を可視化する革新的研究手法の開発に挑戦する。それにより、微生物活動を「静止画」で捉えてきた地下生命圏研究の構造を「動的」に捉える構造へとパラダイムシフトさせ、地下生命圏が駆動する炭素循環を速度論に評価することを可能にする。

Outline of Annual Research Achievements

生命活動の根幹は「電子の授受」による代謝である。従来の生物学的、分析化学的手法では、生命活動の「静止画」を一時的な物質の存在量から観測することしか出来ておらず、実際の自然環境における生命活動の『速度』を動的に直接捉える方法は皆無である。本研究では、微生物の細胞外電流測定を突破口に、推定すら困難な地下生命圏の微生物代謝速度測定を可能にすることを目指す。当該年度は細胞外電流を高い確度と精度で測定するための電流測定条件の構築と修飾電極の基礎となる各種分子の電極反応技術の構築を試みた。電流測定実験は、野外環境から採取した堆積物のバルク培養を中心に実施した。最適な電流測定の条件検討（電極素材・形状、印加電位など）を現在進行中で進めているところである。微生物の代謝速度（培養系の代謝産物の生成速度）と正の相関関係を示す電流測定に一部成功しており、本研究コンセプトの実現性が培養系によっては高いことを確認できている。電流測定が成功している培養系に関してはゲノム解析も進めており、次年度以降はゲノム技術と融合してさらなる技術発展に挑戦する予定である。修飾電極開発では、修飾剤の候補となる各種分子や酵素を用いた培養実験と電流測定実験や、基礎的な電気化学実験を実施した。一部の修飾電極開発では、微生物の生体分子を直接的に電極反応させることに成功している。次年度以降は、電極への各種分子や酵素の固定方法を検討し、実用可能な電極デザインを目指す予定である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要に記した通り、一部の培養系では代謝活速度と正の相関関係を示す電流測定に成功している。また、修飾電極開発においても、これまで報告例のない生体分子の電極反応に成功している。研究を開始した1年目としては予想以上の成果を得られており、「当初の計画以上に進展している」と評価できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

一部の培養系では微生物代謝速度と正の相関関係を示す電流測定に成功している。次年度以降は培養系の種類を増加させ、電流測定法の汎用性を確認する。また、ゲノム解析技術と融合することで、得られた電流値を代謝速度に逆算する方法論を検討する。修飾電極開発においては、実用性の高い各種分子や酵素の電極修飾法を検討する。特に、今年度得られた電極反応技術を基に、修飾電極の開発を進める。開発した修飾電極は、各種培養実験に適用し、その実用性を検証していく予定である。