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Artificial photosynthesis of sugar from CO2 by functional mimicry of the Calvin cycle

Research Project

Project/Area Number 19K22232
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

Shuji Nakanishi  大阪大学, 太陽エネルギー化学研究センター, 教授 (40333447)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小川 知之  明治大学, 総合数理学部, 専任教授 (80211811)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords化学反応サイクル / 人工光合成 / 二酸化炭素 / エネルギー変換 / カルビン回路 / CO2還元 / システムケミストリー
Outline of Research at the Start

本研究では,光合成のカルビンサイクルにおけるCO2還元固定化戦略に倣い,自己触媒過程を内包する非生物反応であるホルモース反応サイクルをベースとしたCO2から糖の人工光合成の実現を目指す.ホルモース反応は,アルドール付加反応に基づくアルデヒドからの糖の合成反応であり,塩基性条件下において二価金属イオンに触媒される.この反応をベースとした反応サイクルとCO2の光還元反応とを融合させ,CO2を出発物質とした糖の人工光合成の実現を目指す.

Outline of Final Research Achievements

In this study, we attempted to design an autocatalytic chemical reaction cycle that mimics the Calvin cycle of natural photosynthesis based on experimental and mathematical approaches. In the experimental approach, we found transition metals can serve as catalysts that promote the artificial reaction cycle under neutral pH conditions. Although the abiotic reaction cycle has been known to proceed at a significant rate only under basic conditions, we have thus achieved to drive the reactions under neutral conditions, which are more suitable for artificial photosynthesis. Regarding the mathematical approach, we have successfully developed a differential equation model describing the abiotic reaction cycle, enabling us to predict of the dynamic behavior of the reaction cycle under various conditions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、糖を生成する化学反応サイクルを中性pHで駆動することに成功した。これは、将来的にCO2から糖(食料)の化学合成を実現する上で重要な成果である。現状、CO2からの糖の生産は、大量の水・栄養・土地・エネルギーを要する農業(光合成プロセス)に依存しており、近い将来、今後の世界人口の増加を支えられなくなることが懸念されている。二酸化炭素を原料とした糖の化学合成は、低コストかつ高速な糖生産の実現をその将来像として見据えており、本研究はそうした技術革新のブレークスルーになると期待される。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 6 results)

  • [Journal Article] Mathematical Modeling of Dynamic Cellular Association Patterns in Seminiferous Tubules2021

    • Author(s)
      Kawamura Mari、Sugihara Kei、Takigawa-Imamura Hisako、Ogawa Toshiyuki、Miura Takashi
    • Journal Title

      Bulletin of Mathematical Biology

      Volume: 83 Issue: 4 Pages: 33-33

    • DOI

      10.1007/s11538-021-00863-x

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Existence and stability of non-monotone travelling wave solutions for the diffusive Lotka?Volterra system of three competing species2020

    • Author(s)
      Chang Chueh-Hsin、Chen Chiun-Chuan、Hung Li-Chang、Mimura Masayasu、Ogawa Toshiyuki
    • Journal Title

      Nonlinearity

      Volume: 33 Issue: 10 Pages: 5080-5110

    • DOI

      10.1088/1361-6544/ab9244

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 環状化学反応ネットワークにおけるホルムアルデヒドから糖の合成反応の制御2021

    • Author(s)
      田畑裕、西島弘晃、原田隆史、向山義治、中西周次
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Runge-Kutta法によるMorse分解の近似計算の性能2021

    • Author(s)
      千葉悠喜,宮路智行,小川知之
    • Organizer
      日本応用数理学会2021年 研究部会連合発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Bifurcation of a non-trivial traveling wave solution in a 3-component competition-diffusion system2021

    • Author(s)
      小川知之,栄伸一郎,池田榮雄,三村昌泰
    • Organizer
      日本数学会2021年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] シアノバクテリアにおけるNADP+/NADPHレドックス恒常性の定量的実証2020

    • Author(s)
      田中謙也、嶋川銀河、田畑裕、草間翔子、中西周次
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 生物リズム若手研究者の集い20202020

    • Author(s)
      中西周次
    • Organizer
      レドックス反応におけるリズム現象
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 光合成と人工光合成のシステムケミストリー2020

    • Author(s)
      中西周次
    • Organizer
      第72回 生物工学会大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Electrochemical study on the endogenous redox rhythm in cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC79422020

    • Author(s)
      田中謙也、嶋中西周次
    • Organizer
      71st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Catalytic reaction networks mimicking photosynthetic electron transport chain2020

    • Author(s)
      中西周次
    • Organizer
      235th ECS Meeting
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 植物のバイオリズムとシステム応用2020

    • Author(s)
      中西周次
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 光合成微生物が示す振動現象と人工光合成2020

    • Author(s)
      中西周次
    • Organizer
      明治大学先端数理科学インスティテュート現象数理学研究拠点共同研究集会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Spatio-temporal symmetry breaking in electrochemical reactions2020

    • Author(s)
      中西周次
    • Organizer
      The 8th ELSI Symposium: Extending View of Catalysis,
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited

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Published: 2019-07-04   Modified: 2023-01-30  

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