2014 Fiscal Year Research-status Report
大腸菌への機能集約によるバイオ燃料電池に最適な微生物触媒の開発
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26420797
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
東 雅之 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (20285282)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 微生物燃料電池 / MFC / バイオ電池 / 微生物触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、バイオ燃料電池のさらなる性能向上のため微生物触媒の開発に取り組んでいる。これまでに、種々の微生物で発電に適した機能が見いだされており、ここではそれらの機能を集約した細胞を構築し、電池用スーパー微生物触媒の開発を目指している。具体的には、大腸菌を研究対象とし、「大腸菌への機能集約と代謝制御物質の活用」「電極上でのバイオフィルムの形成」「大腸菌に適した電極材料の選定」などに関する検討を３年計画で進めている。
平成２６年度は、１.大腸菌に適した電池構成成分、２.代謝阻害剤や窒素源の添加が出力に与える影響、３.大腸菌の電極上でのバイオフィルム形成について検討した。また、触媒となる大腸菌の育種（組換え操作）についても開始した。結果として、負極槽に添加するメディエーター量を酵母で検討した最適条件より減らすことで出力の向上が見られた。また、負極槽への窒素源や膜内外へのジニトロフェノールの添加でも出力向上が見られ、大腸菌用の負極溶液の組成については大旨決定できた。バイオフィルムに関しても検討を進め、バイオフィルム形成に適した条件を明らかにしてきた。炭素棒、炭素繊維、炭素フェルトなど種々の炭素電極を用い、それらにバイオフィルムを形成させ、出力測定を行った。しかし、現状ではできたバイオフィルムだけを触媒として用いても顕著な出力は得られていない。これに関しては継続して検討が必要である。その一方で、大腸菌の育種について検討しており、遺伝子導入部位となる候補を明らかにし、グルコースの取り込みかかわる遺伝子、NADHから電子伝達系への電子の移動に関わる遺伝子に着目して、それらの過剰発現系の構築を進めている。平成２７年度はさらに多くの遺伝子について検討する予定である。
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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
平成２６年度に予定していた「大腸菌に適した電池構成成分」と「代謝阻害剤や窒素源の添加が出力に与える影響」の検討については予定通り実施し、結果として出力向上に繋がる情報が得られ、今後大腸菌での出力評価を行うための測定条件が確立された。また、「大腸菌の電極上でのバイオフィルム形成」については、大腸菌のバイオフィルム形成に適した種々の条件を明らかにしてきた。しかし、それら条件をもとに炭素棒、炭素繊維、炭素フェルトなどの炭素電極上でバイオフィルムを形成させ、それらバイオフィルムのみを触媒として用い出力評価を行ったが、顕著な出力は得られなかった。これについては「さらなるバイオフィルムの形成」や「遺伝子組換えによる細胞表面への電子移動機構の導入」などの検討が必要であり、継続課題として残されている。また、平成２７年度から予定していた大腸菌の育種については、前倒しで今年度より開始した。選抜した各種遺伝子を導入する箇所の候補すなわち出力に影響のない染色体上の位置を選択した。さらに、グルコースの取り込みに関わる遺伝子とNADHから電子伝達系への電子の移動に関わる遺伝子を選抜し染色体上での過剰発現系の構築を行っており、計画は前倒しで順調に進んでいる。これらを総合して、計画はほぼ順調に進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度以降は、触媒となる大腸菌の組換え操作による育種を中心に研究を進める。具体的には次の①から③に着目する。①解糖系の律速箇所であるホスホフルクトキナーゼの遺伝子の過剰発現など、解糖系やTCAサイクル（中央代謝）に関わる遺伝子の改変によるグルコース代謝速度の向上、②ピルビン酸から酢酸発酵への分岐など、中央代謝から分岐する経路の抑制、③Geobacter属とShewanella属で報告されている細胞表層の電子伝達体の遺伝子の導入など、細胞膜上の電子伝達系から電極への電子伝達能力の向上。これらを念頭に置きそれらに関わる遺伝子を選定する。選定した遺伝子の組換えすなわち過剰発現や遺伝子破壊は、染色体上への遺伝子導入技術やPCRによる遺伝子増幅などを駆使しながら進める。出力やグルコース消費などを測定し、平均出力やクーロン効率がわずかでも改善されると判断できれば、その組換え株をベースに次の組換えを行う。この操作を繰り返すことによりスーパー触媒微生物を構築する。逆にマイナスの影響がある場合は、組換えを重ねずに次の組換え操作へと進める。また、同様の遺伝子操作により前年度の課題として残されているバイオフィルム形成を促進するような株の構築も試みる。
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