2016 Fiscal Year Annual Research Report
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24000010
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
橋本 和仁 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 理事長 (00172859)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 龍平 理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (10447419)
中西 周次 大阪大学, 太陽エネルギー化学研究センター, 教授 (40333447)
石原 一彦 東京大学, 大学院工学系研究科, 教授 (90193341)
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| Project Period (FY) |
2013 – 2016
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| Keywords | 細胞外電子移動 / 代謝経路制御 / 微生物エネルギー変換 / 生体電子移動ダイナミクス / 電気化学的制御 / 微生物腐食 / 集団同期能現象 / 光合成細菌 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
課題1 : これまで、細胞内の電子伝達経路を電気化学的に制御するツールとして、細胞親和性電子伝達ポリマーを開発してきた。この電子伝達ポリマーの分子構造が細胞外電子移動効率に及ぼす影響について大腸菌及び酵母をモデル細胞として調べた結果、ポリマーの分子量及び組成比に応じて代謝経路が変化することを見出した。また、プロトン移動とカップルして生細胞へ電子注入可能で、かつ好気条件下でも細胞毒性を示さない新規電子伝達ポリマーの合成に成功した。これらにより、電気化学及び高分子材料化学の知見を駆使することで、分子生物学的手法に依らず生きた細胞の代謝・遺伝子発現様式を変調できることを実証した。
課題2 : 生体内におけるATP合成ならびに炭素固定に関わる電子伝達系ダイナミクスを計測するため、化学独立栄養・鉄酸化細菌の遺伝子発現量を評価する実験系を確立した。これを用いて、ATP合成と炭素固定を担うタンパク質群の発現比がaa3複合体を介して生成するプロトン駆動力の大きさに応じて変動することを明らかにした。この結果により、既に開発を終えた光CO脱離反応を用いたダイナミクス計測技術と併せることで、「電子伝達、プロトン駆動力の形成、そして遺伝子レベルでの代謝切り替え」という、生物が持つ環境適応過程を様々なタイムスケールでその場追跡出来ることが示された。
課題3 : 電流生成菌の集団同期能現象に関し、集団挙動ならびに電子移動加速の制御機構解明を試みた。細胞間情報伝達を担うシグナル分子単離を検討する過程で、細胞間の電子移動が集団同期的に代謝を活性化することを見出した。さらに、菌体当たりの電極への電子フラックス増大に伴い、プロトン共役と外膜シトクロムの構造変化により電子移動が加速する機構を明らかにし、細胞間の電子移動が個々の細胞活性と有機的な繋がりを持ち、正のフィードバックとして集団同期を誘起することを示す結果を得た。
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