| Project/Area Number |
24K01272
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27040:Biofunction and bioprocess engineering-related
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| Research Institution | Nara Women's University |
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Principal Investigator |
本田 裕樹 奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (90583849)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Fiscal Year 2026: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2025: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
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| Keywords | 人工光合成 / アンモニア生産 / ニトロゲナーゼ / ヒドロゲナーゼ / 半導体光触媒 |
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| Outline of Research at the Start |
無尽蔵の太陽光を利用して、水を原料に水素やアンモニア等の高エネルギー化合物を合成する、いわゆる人工光合成は、炭素循環社会の実現に向けた鍵となる技術である。そのような反応の実現に向け、無機半導体といった非生体触媒の高安定で高効率な光―化学エネルギー変換と、酵素や微生物といった生体触媒の高選択的な物質生産の、両者の特長を組み合わせるバイオハイブリッドを構築する。非生体触媒と生体触媒のそれぞれの利点と欠点を相補するバイオハイブリッドの設計指針・基盤を確立し、自然の光合成を凌駕する効率で太陽光を活用できる物質生産を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体光触媒や色素などの人工材料による光―化学エネルギー変換と、酸化還元酵素による物質変換を組み合わせるバイオハイブリッド系による光エネルギー駆動型の物質生産の実現を目指している。とくに太陽光で水を原料に、水素あるいはアンモニアといった高エネルギー化合物を合成する人工光合成の達成を目指している。
2024年度はバイオハイブリッド系に関する検討のうち、①光増感剤と酸化還元酵素（ヒドロゲナーゼ）から成るハイブリッド系での色素―酵素間の電子伝達機構の解析と高機能化、②新たなバイオハイブリッド構築に向けた大腸菌へのニトロゲナーゼ活性の付与に取り組んだ。
①では、色素（EY）、電子源、ヒドロゲナーゼ（HydA）を大量生産する組換え大腸菌の3者を用いるバイオハイブリッド系における、EYからHydAへの電子伝達機構を解析した。蛍光寿命測定や過渡吸収測定といった分光学的解析から、当該ハイブリッドではEYの還元的消光経路で光水素生産が達成されることを明らかにした。また、還元型EYからHydAへの電子伝達を効率化する電子メディエーターの添加や、このメディエーター電位の制御で、当該ハイブリッドの高機能化（EYの退色の抑制による反応持続性の向上と反応効率の維持）を達成した。
②では、バイオハイブリッドに適用する新たな酸化還元酵素として、窒素のアンモニアへの変換を触媒するニトロゲナーゼに着目し、大腸菌へのニトロゲナーゼ遺伝子群の導入による当該活性の付与を試みた。窒素固定細菌由来のニトロゲナーゼ遺伝子群を取得し、大腸菌に導入し、活性を評価した。この過程で、大腸菌でニトロゲナーゼ遺伝子群を機能させる場合のプロモーター領域の重要性や、大腸菌の糖代謝からニトロゲナーゼへの電子供給、ニトロゲナーゼ内の金属クラスター合成の強化が、大腸菌へのニトロゲナーゼ活性の付与に効果的であるという知見を得た。
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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
色素と酵素を組み合わせるバイオハイブリッドに関する色素―酵素間の電子伝達機構の解析や、その過程で得た色素―酵素間の電子移動を補助する電子メディエーターの添加とその電位制御によるバイオハイブリッドの高機能化に関する内容は当初の計画通りに進めることができた。この内容での特許出願や学会発表を行い、現在、論文投稿準備を進めている。大腸菌へのニトロゲナーゼ活性の付与に関する内容についても計画通りに進み、学会発表を行ったほか、関連する論文は現段階で投稿中となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の終了時に目標とするのは、太陽光（可視光）と水を原料に水素やアンモニアを生産できるバイオハイブリッド系の構築である。2025年度は、（1）光による水分解と水素生産を隔てた光バイオ電気化学的水素生産について光アノードとバイオカソードの高効率化を進め、水を原料とする反応系の基礎を確立する。また、（2）アンモニア生産に向けて基盤となるニトロゲナーゼの活用について、これまでの組換え大腸菌への活性付与の検討を続ける上で、いくつかの高活性な窒素固定細菌を用いたバイオハイブリッドの構築を試みる。
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