Inorganic-bio hybrid photocatalytic hydrogen production using a combination of microbial metal sulfide precipitation and hydrogenase reaction

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K05230
• Research Institution: Nara Women's University
• Principal Investigator: 本田 裕樹 奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (90583849)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 水素生産 / 光触媒 / ヒドロゲナーゼ / 無機ー生体ハイブリッド

Outline of Annual Research Achievements

水素はクリーンなエネルギーキャリアとして注目される。一方、現代の水素生産は化石燃料の消費に依存し、再生可能エネルギー（とくに太陽光）を用いる水素生産への転換に期待が寄せられる。本研究では、光で駆動するクリーンな水素生産の実現に資する新規な反応系の構築を目的として、無機半導体光触媒と生体触媒を組み合わせた無機-生体ハイブリッド型光触媒系による光バイオ水素生産を目指してきた。
研究期間全体で得た成果として、まず、大腸菌で形成された金属硫化物半導体（硫化カドミウム、CdS）による光エネルギー変換と、遺伝子工学的に付与した水素生成能の共役させた無機-生体ハイブリッド系による光駆動型水素生産系の構築を達成した。本系では、硫化物半導体による光エネルギー変換で得られた還元力が酵素に伝達されて光駆動型水素生産が達成された。次に、本系による高効率な水素生産には、CdSによる光エネルギー変換能に課題があることを見出した。そこで当初は大腸菌に元々備わる能力を用いたCdS形成を、遺伝子工学的に強化し、光エネルギー変換能を向上させ、系全体の光水素生産能の向上を目指した。具体的にはシステインからスルフィドを遊離する酵素の遺伝子を導入し、硫化物形成の基質であるスルフィドの濃度を高め、CdSの量や質の変化を狙った。当該遺伝子導入により、高濃度のCdイオン存在下でCdS形成が可能になり、生成したCdSの単位重量当たりの光エネルギー変換能の向上も確認され、CdSの質と量の改善が見られた。実際に、強化したCdS形成を組み合わせた無機-生体ハイブリッドによる光水素生産は当初の2倍の効率を示した。
本研究を通して、非生体物質による光-化学エネルギー変換と酸化還元酵素による物質生産を組み合わせる新たなバイオ技術の構築に向けた知見を拡大する成果を得た。