2018 Fiscal Year Research-status Report
Hydrogen production by heterocyst-forming cyanobacteria placed in extreme nitrogen-starved state
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18K06296
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| Research Institution | Kanagawa University |
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Principal Investigator |
井上 和仁 神奈川大学, 理学部, 教授 (20221088)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水素生産 / ニトロゲナーゼ / シアノバクテリア / ヘテロシスト / 光合成 / 再生可能エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
糸状性シアノバクテリアであるNostocは、窒素飢餓条件下でヘテロシストを分化させ、その内部でニトロゲナーゼを発現して窒素固定を行う。この際、ニトロゲナーゼの基質となる分子状窒素(N2)を欠く人工気相下にNostocを置くと、アンモニアの代わりに、多量の水素(H2)が生成する。培養器内の気相に含まれるN2を制限すると、本来、N2の還元（窒素固定）に利用される還元力が水素イオン(H+)の還元に振り向けられるためである。さらに、ヘテロシスト内部で発現している取り込み型ヒドロゲナーゼHupを不活化すると細胞外に排出されるH2量は大幅に増加する。Hupを不活化したNostocをガラスバイアルに入れて培地中の窒素栄養を制限し気相をアルゴン(Ar)をベースにしてN2を制限すると、内部の気相にH2とO2がほぼ2:1の比で蓄積する。そのままの状態ではH2の発生は停止するが、内部の気相を随時更新することで、H2の生産は数ヶ月にわたって持続する。この間、細胞増殖は抑制されている。本研究は、窒素栄養とN2の制限下に置かれたNostocのHup不活化株の代謝生理を明らかにし、長期にわたり水素生産を可能にするメカニズムを明らかにすることを目的とする。本年度は、Nostoc野生株とNostocΔHup株を材料に、通常培地と窒素飢餓培地を用い、さらに気相の条件を変えて培養した細胞をサンプリングし、水素発生量、細胞の増殖速度、ヘテロシスト分化率、細胞形態、ニトロゲナーゼ活性、光合成活性など基本的なデータを取得した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、Nostoc野生株とNostocΔHup株を材料に、通常培地と窒素飢餓培地を用い、さらに気相の条件を変えて培養した細胞をサンプリングし、水素発生量、細胞の増殖速度、ヘテロシスト分化率、細胞形態、ニトロゲナーゼ活性、光合成活性など基本的なデータを取得した。概ね研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は栄養制限下に長期に置かれた細胞のプロテオーム解析、ニトロゲナーゼ系などの遺伝子の発現解析を行う計画である。また、Nostocのアンテナ色素であるフィコビリンを削減した株の作製の目処がつきつつある。フィコビリンは主に光化学系IIへ光エネルギーを供給する役割を持つが、弱光下では集光装置として有効に機能するが、強光下では培養層上部の細胞が過剰な光を吸収して光失活を起こしたり、下層の細胞には遮蔽効果のため十分な光が届かなくなり、全体として水素生産に対する光エネルギーの変換効率が低下する問題を生じる。また、フィコビリンは細胞内で窒素栄養の貯蔵器官としての機能を持つことが指摘されている。フィコビリン削減株の作成を今年度の研究課題に追加する。
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| Causes of Carryover |
研究は概ね順調に進んだが、分子生物学用試薬類については当初の見込みよりも購入量が少なくて済んだ。今年度にプロテオーム解析、遺伝子発現解析を計画しているため分子生物学用試薬類の購入量が増加する見込みである。初年度で繰り越した助成金を今年度交付される助成金と合わせて賄うこととした。
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Research Products
(4 results)
