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ラン色細菌の水素生産性向上に向けたニトロゲナーゼの改良

Research Project

Project/Area Number 04J09494
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Applied molecular and cellular biology
Research InstitutionKanagawa University
Research Fellow 増川 一  神奈川大学, 理学部, 特別研究員(PD)
Project Period (FY) 2004 – 2006
Project Status Completed (Fiscal Year 2006)
Budget Amount *help
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2006: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2005: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2004: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywordsラン色細菌 / シアノバクテリア / ニトロゲナーゼ / ヒドロゲナーゼ / 水素生産 / 窒素固定 / Anabaena / 光生物的水素生産
Research Abstract

窒素固定酵素ニトロゲナーゼ(N_2ase)は、窒素固定反応に付随して必然的に水素を発生する(N_2+8e^-+8H^++16ATP→2NH_3+H_2+16ADP+6Pi)。窒素固定するラン色細菌のN_2aseと光合成反応を利用して、水素を光生物的に生産することを目指し、水素生産性向上に向けた遺伝子工学的改良を行った。これまでに、Nostoc sp. PCC7120株で水素再吸収を抑制したヒドロゲナーゼ(H_2ase)遺伝子破壊株ΔhupL、ΔhupL/ΔhoxH株を作製し、水素生産活性が野性株の約4-7倍増大するという成果を得た。しかし、高活性時期が10時間程度しか持続しないという問題があったため、活性持続性の改善を目的として、N_2ase活性中心配位子ホモクエン酸の役割に着目し遺伝子改変を行った。
ホモクエン酸はN_2ase活性中心FeMo-cofactorに配位し、従属栄養細菌Klebsiellaでは、ホモクエン酸合成酵素遺伝子nifVを破壊するとN_2aseの窒素固定活性は大幅に低下するが、水素生産性が増大する。N_2aseの窒素固定能が相対的に低下すれば、成長のための窒素栄養の要求性がより長く持続し、結果的に、N_2aseによる水素生産の高活性が持続するようになると期待されるNostoc sp. PCC7120株は、2つのnifV遺伝子(nifV1、nifV2)を持つ。野生株とΔhupL株を親株として、その一方または両方の遺伝子を破壊した6種の変異株を作製したところ、いずれの破壊株も窒素固定能は低下し、ヘテロシスト出現頻度も親株よりも高い頻度がより長く持続していた。ΔhupL/ΔnifV1株では、水素生産の高活性が親株ΔhupL株と比べてより長く持続し、カルチャー当たりの水素生産性が窒素飢餓培地移行後5日目まで増加し続け、N_2ガス気相下で親株よりも約2倍増大した。ノーザンブロットとgfpレポーターを利用した遺伝子発現解析から、nifV1遺伝子は窒素飢餓条件下でN_2aseが局在するヘテロシスト内で特異的に発現が誘導され、一方、nifV2遺伝子は窒素化合物存在下でも発現しており、窒素飢餓条件下で発現量が低下した。このことから、nifV1遺伝子破壊株では、ヘテロシスト内のホモクエン酸濃度が低下している可能性が考えられた。

Report

(3 results)
  • 2006 Annual Research Report
  • 2005 Annual Research Report
  • 2004 Annual Research Report

Research Products

(16 results)

All 2007 2006 2005 2004

All Journal Article (13 results) Book (3 results)

  • [Journal Article] High photobiological hydrogen production activity of a Nostoc sp. PCC7422 uptake hydrogenase-deficient mutant with high nitrogenase activity2007

    • Author(s)
      F.Yoshino, H.Ikeda, H.Masukawa, H.Sakurai
    • Journal Title

      Marine Biotechnology 9(1)

      Pages: 101-112

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] Promoting R&D in photobiological hydrogen Production utilizing mariculture-raised cyanobacteria2007

    • Author(s)
      H.Sakurai, H.Masukawa
    • Journal Title

      Marine Biotechnology (印刷中)

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] シアノバクテリアを用いた水素生産2006

    • Author(s)
      増川一, 櫻井英博
    • Journal Title

      遺伝 60

      Pages: 46-51

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] シアノバクテリアによる光生物的水素生産-水素を一次エネルギーとして大規模生産を目指す-2006

    • Author(s)
      櫻井英博, 増川一
    • Journal Title

      燃料電池 6(2)

      Pages: 46-52

    • Related Report
      2006 Annual Research Report
  • [Journal Article] The cyanobacterium Anabaena sp.PCC 7120 has two distinct b-carotene ketolases : CrtO for echinenone and CrtW for ketomyxol synthesis2005

    • Author(s)
      Mari Mochimaru, Hajime Masukawa, Shinichi Takaichi
    • Journal Title

      FEBS Letters 579

      Pages: 6111-6114

    • Related Report
      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] Improved photobiological hydrogen production by hydrogenase mutants of cyanobacteria2005

    • Author(s)
      Hajime Masukawa, Kazuhito Inoue, Hidehiro Sakurai
    • Journal Title

      Proceedings of the 8th Asian hydrogen Energy Conference

      Pages: 205-213

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      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] 水素生産性改良ラン色細菌による光生物的水素蓄積のための培養条件の検討2005

    • Author(s)
      櫻井英博, 増川一, Zhang Xiaohui, Sangeeta Dawar, 吉野史記, 若井宗人, 池田浩, 佐々木健輔, 山岸洋平
    • Journal Title

      第14回日本エネルギー学会大会講演要旨集

      Pages: 114-115

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      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] ヒドロゲナーゼ関連遺伝子改良ラン色細菌による光生物的水素生産2005

    • Author(s)
      櫻井英博, 池田浩, 若井宗人, 吉野史記, 増川一
    • Journal Title

      第25回水素エネルギー協会大会予稿集

      Pages: 113-115

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      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] 化石代替エネルギーの大規模開発を目指す光生物的水素生産2005

    • Author(s)
      櫻井英博, Zhang Xiaohui, 増川一, 持丸真里
    • Journal Title

      第22回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス講演論文集

      Pages: 411-414

    • NAID

      10021970566

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      2005 Annual Research Report
  • [Journal Article] 再生可能エネルギー創成を目指すラン色細菌の光生物的水素生産-ヒドロゲナーゼ突然変異株の作成と生産性評価-2004

    • Author(s)
      櫻井英博, 増川一, 吉野史記, 若井宗人
    • Journal Title

      第13回日本エネルギー学会大会講演要旨集

      Pages: 130-131

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      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Improvement of Photobiological H_2 production of the Heterocystous Cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 by Genetic Engineering of Hydrogenase and Nitrogenase-Related genes2004

    • Author(s)
      Hajime Masukawa, Hidehiro Sakurai
    • Journal Title

      Proceedings of the 13th International Congress of Photosynthesis (印剛中)

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      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Effects of disruption of hypF gene on photobiological hydrogen production in Anabaena sp. PCC 71202004

    • Author(s)
      Muneto Wakai, Sangeeta Dawar, Hajime Masukawa, Hidehiro Sakurai
    • Journal Title

      Proceedings of the 13th International Congress of Photosynthesis (印剛中)

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      2004 Annual Research Report
  • [Journal Article] Photobiological hydrogen production of hydrogenase mutants of heterocystous cyanobacteria2004

    • Author(s)
      Fuminori Yosino, Muneto Wakai, Hajime Masukawa, Mari Mochimaru, Hidehino Sakurai
    • Journal Title

      Proceedings of the 13th International Congress of Photosynthesis (印剛中)

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      2004 Annual Research Report
  • [Book] バイオプロセスハンドブック、執筆分第5編第3章4「改良ラン色細菌による光生物的水素生産技術」2007

    • Author(s)
      増川一
    • Publisher
      (株)エヌ・ティー・エス
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      2006 Annual Research Report
  • [Book] 水素利用技術集成Vol.3、執筆分第2編第2章2「光合成生物を利用した水素生産技術」2007

    • Author(s)
      増川一
    • Publisher
      (株)エヌ・ティー・エス(印刷中)
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      2006 Annual Research Report
  • [Book] 光合成微生物の機能と応用、執筆分第6章2「改良ラン色細菌による光生物的水素生産技術」(上原赫監修)2006

    • Author(s)
      増川一
    • Publisher
      シーエムシー出版
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      2006 Annual Research Report

URL: 

Published: 2004-03-31   Modified: 2016-04-21  

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