2017 Fiscal Year Annual Research Report
発酵代謝を加速する電極触媒細菌のハイブリッド呼吸の分子機構解明と制御
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17H04969
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
岡本 章玄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者 (70710325)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 細胞外電子移動 / プロトン移動 / 外膜シトクロム / 円二色性 / 鉄還元細菌 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の遺伝子工学技術の発達に伴い、細菌の代謝を用いた数々の有用なバイオ合成プロセスが開発されているが、その反応速度を向上させる方法論は限られている。申請者らは細胞外の電極と電子のやり取りをして呼吸を行う「発電細菌」において発電時に発酵反応が進行していること、ならびにこの「発酵的呼吸」が駆動される際の律速過程が、細菌/電極界面で電子移動と共役するプロトン移動であることを見出した。本研究では、プロトン移動を加速することで大腸菌と言った物質生産のモデル細菌おいて代謝速度を電気化学的に加速させることを目指す。
本年度は、プロトン移動速度を評価するためにモデル発電細菌Shewanella oneidensis MR-1を用いて単位外膜シトクロム当たりの電流を算出可能な測定系の開発を行った。生細胞内には多量に他のヘム酵素が共存しており、これまで細菌からの電流生成を測定しながら外膜シトクロムを定量することは不可能であった。しかし、申請者は、外膜シトクロムの特徴である 7~10オングストロームの距離で隣接した 10 個のヘム反応中心が強い励起子間相互作用を有することに着目し、その高いモル円二色性によって、他のヘム酵素群から選択的に外膜シトクロムを定量・検出可能であることを示した。さらに、予想外の結果として、ある小分子群がプロトン移動速度を加速させる機能があることを偶然に見出した。この結果は、プロトン移動の機構を解明する以外にもプロトン移動速度を制御する方法論があることを示す重要な成果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通りに進んでいることに加え、予想していなかったプロトン移動速度を簡単に増加させることができる小分子群を見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、プロトン移動速度を評価するためにモデル発電細菌を用いた単位外膜シトクロム当たりの電流を算出可能な測定系の開発を行う。具体的には、今年度の成果である円二色性スペクトル法と電気化学が同時に測定可能な系を構築し、実際に外膜シトクロムあたりの電流値を定量することを目指す。さらに、新たに見出した小分子群が実際にプロトン移動を加速させていることを同位体を用いた速度論実験や計算によるアプローチで示す。
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