2017 Fiscal Year Annual Research Report
電気スイッチによる微生物の代謝制御：その基礎と応用
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17J05454
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| Research Institution | Tokyo University of Pharmacy and Life Science |
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Principal Investigator |
廣瀬 篤弥 東京薬科大学, 生命科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気活性微生物 / 微生物電気化学システム / 酸化還元状態 / 転写制御 / 有用物質生産 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では Shewanella oneidensis MR-1株をホスト菌株に用いて、電極電位による遺伝子発現制御系（電気スイッチ）と物質変換に必要な還元力を電極から供給する微生物電気合成（MES）を組み合わせた新規物質生産法を構築することを目的とした。
MR-1株をMESのホストとして利用するための基礎的知見を得るため、今年度は以下の3つの解析を行った。1つ目はエネルギー獲得経路の電極電位依存性の解析である。これまでにMR-1株がArc systemを介して電位依存的にエネルギー獲得経路を切り替えることは示されていたが、Arc systemのsensor kinaseであるArcSが活性化される電位は不明であった。そこで複数の電極電位条件（+0.5 V, +0.2 V, 0 V）でMR-1株を培養し解析を行った結果、0~ +0.2 VでArcSが活性化されることが示唆された。2つ目はArc systemのresponse regulatorであるArcAの結合配列の同定である。Arc system依存的に電位応答を示した遺伝子の上流領域を解析した結果、複数のArcA結合領域を見出し、さらに複数のArcA結合領域を並べることでプロモーター活性を増強できることが示唆された。3つ目はMESにおけるMR-1株へのエネルギー供給経路の構築である。これまでにMESにおいてMR-1株へエネルギー(ATP)を供給する経路は構築されていなかった。そこで電極を電子供与体、酸素を電子受容体とした条件で培養し、菌体増殖を調べた。その結果、非電位印加条件と比べて電位印加条件において有意に菌体量が増加した。このことからMR-１株は電極から電子を受容し酸素還元を行う過程でエネルギーを保存しATPを生産できることが示された。またMR-1株はカソード表面で発生する水素を酸化し、アノードへ電子を伝達する過程で同様にATPを生産することを明らかにした。
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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、複数の電極電位におけるMR-1株のエネルギー代謝経路を同定し、ArcSが活性化され代謝経路の切り替えを行う電極電位を推定した。またいくつかの電位応答性遺伝子上流のArcA結合配列周辺には酸素を認識し転写制御を行うEtrAの推定結合配列が見出され、これらの遺伝子の発現はArcAとEtrAによって協調的に制御されていることが示唆された。さらにプロモーター解析によってArcAが2箇所の結合配列に結合すると1箇所の場合よりも転写制御が強固になることが明らかになった。これらに加えてMR-1株が電極から供給される電子もしくは電極表面で発生する水素をエネルギー源として利用できることを見出した。この発見によりMESプロセスにおいてATP依存的な反応の進行が可能であることが示され、MR-1株において広範囲な物質の生産が可能であることが示唆された。以上の研究成果はMR-1株をMESのホストとして利用する上で非常に重要な知見である。よって今年度の研究は当初の計画以上に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究によりArcA結合領域の推定とプロモーター活性向上のための基礎知見が得られた。そこで次年度はArcAプロモーターを改変し、より高活性な変異型プロモーターを構築する。具体的には複数のArcA結合領域を並べて配置することでプロモーター活性を変化させる。また、ArcSの活性化電極電位をより詳細に解析するとともに、電極電位認識部位に変異を導入することで活性化電極電位を変更した変異型ArcSを作製する。上記の研究で得られた知見を基に、MR-1株内で電気スイッチ依存的な物質生産経路を構築し、MESを用いて有用物質の生産を行う。まずはMR-1株の嫌気代謝の最終産物である酢酸を出発物質として生分解性プラスチックの原料となる3-ヒドロキシ酪酸の合成を目指す。
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