発酵代謝を加速する電極触媒細菌のハイブリッド呼吸の分子機構解明と制御

• 研究課題/領域番号: 17H04969
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 生物機能・バイオプロセス
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 岡本 章玄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループリーダー (70710325)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2018年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2017年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
• キーワード: 細胞外電子移動 / 電気細菌 / 微生物電気化学 / フラビン / プロトン移動 / 外膜シトクロム / 励起子間相互作用 / 円二色性 / ヘム反応中心間相互作用 / 鉄還元細菌 / 基質レベルリン酸化 / Shewanella

研究成果の概要

本研究では、発見した「電気細菌Shewanellaによる電極上での発酵代謝の高速駆動」において鍵となる「細胞外プロトン排出」の多角的解析を行い、その機構の解明、ならびに電子移動速度の制御を達成した。さらに、バイオプロセスのモデル系(大腸菌)での電極による代謝反応の高速化を実現した。本成果は、薬剤やバイオプラスティック等の微生物によるな物質・材料生産の高速化に対して新しい方法論を提供した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年のバイオエンジニアリングの発展は薬剤やバイオプラスティック等のより多彩な物質・材料生産への展開をもたらしている。その一方で、例えば新規な発酵反応を大規模・実用化する際、反応速度や分離・精製によるコストが本質的な障壁となる。本研究成果は、微生物によるな物質・材料生産の高速化に寄与するものであり、革新的なバイオプロセスへの展開が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] CSIRO(オーストラリア)
• [雑誌論文] Outer membrane compositions enhance the rate of extracellular electron transport via cell-surface MtrC protein in Shewanella oneidensis MR-1 (2021)
  • 著者名/発表者名: Long Xizi、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 320 ページ: 124290-124290
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2020.124290
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Human Pathogen <i>Capnocytophaga Ochracea</i> Exhibits Current Producing Capability (2020)
  • 著者名/発表者名: ZHANG Shu、MIRAN Waheed、NARADASU Divya、GUO Siyi、OKAMOTO Akihiro
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 88 号: 3 ページ: 224-229
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.20-00021
  • NAID: 130007840223
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2020-05-05
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improvement of Electrochemical Conditions for Detecting Redox Reaction of K₃[Fe(CN)₆] toward the Application in Norovirus Aptasensor (2020)
  • 著者名/発表者名: HIRANO Seiya、SAITO Junki、YUKAWA Tomoki、SANO Daisuke、OKAMOTO Akihiro、OKABE Satoshi、KITAJIMA Masaaki
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 88 号: 3 ページ: 205-209
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.20-00017
  • NAID: 130007840220
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2020-05-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Cell Mass Spectroscopic Analysis for Quantifying Active Metabolic Pathway Heterogeneity in a Bacterial Population on an Electrode (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Junki、Deng Xiao、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 92 号: 23 ページ: 15616-15623
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c03869
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of cell growth by uncoupling extracellular electron uptake and oxidative stress production in sediment sulfate-reducing bacteria (2020)
  • 著者名/発表者名: Deng Xiao、Saito Junki、Kaksonen Anna、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Environment International 巻: 144 ページ: 106006-106006
  • DOI: 10.1016/j.envint.2020.106006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Involvement of Proton Transfer for Carbon Dioxide Reduction Coupled with Extracellular Electron Uptake in Shewanella oneidensis MR‐1 (2020)
  • 著者名/発表者名: La Cava Eugenio、Guionet Alexis、Saito Junki、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Electroanalysis 巻: 32 号: 8 ページ: 1659-1663
  • DOI: 10.1002/elan.201900686
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of Anaerobic Microbial Corrosion Suppression by Mild Negative Cathodic Polarization on Carbon Steel (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiibashi Marina、Deng Xiao、Miran Waheed、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Environmental Science & Technology Letters 巻: 7 号: 9 ページ: 690-694
  • DOI: 10.1021/acs.estlett.0c00383
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microbially influenced corrosion - Any progress? (2020)
  • 著者名/発表者名: Little B.J.、Blackwood D.J.、Hinks J.、Lauro F.M.、Marsili E.、Okamoto A.、Rice S.A.、Wade S.A.、Flemming H.-C.
  • 雑誌名: Corrosion Science 巻: 170 ページ: 108641-108641
  • DOI: 10.1016/j.corsci.2020.108641
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microbial current production from Streptococcus mutans correlates with biofilm metabolic activity (2020)
  • 著者名/発表者名: Naradasu Divya、Guionet Alexis、Miran Waheed、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Biosensors and Bioelectronics 巻: 162 ページ: 112236-112236
  • DOI: 10.1016/j.bios.2020.112236
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biogenic Iron Sulfide Nanoparticles to Enable Extracellular Electron Uptake in Sulfate‐Reducing Bacteria (2020)
  • 著者名/発表者名: Deng Xiao、Dohmae Naoshi、Kaksonen Anna H.、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: 132 号: 15 ページ: 6051-6055
  • DOI: 10.1002/ange.201915196
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] FeGenie: A Comprehensive Tool for the Identification of Iron Genes and Iron Gene Neighborhoods in Genome and Metagenome Assemblies (2020)
  • 著者名/発表者名: Garber Arkadiy I.、Nealson Kenneth H.、Okamoto Akihiro、McAllister Sean M.、Chan Clara S.、Barco Roman A.、Merino Nancy
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 11 ページ: 37-37
  • DOI: 10.3389/fmicb.2020.00037
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electrochemical Techniques and Applications to Characterize Single‐ and Multicellular Electric Microbial Functions (2019)
  • 著者名/発表者名: Saito Junki、Murugan Muralidharan、Deng Xiao、Guionet Alexis、Miran Waheed、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Bioelectrochemical Interface Engineering 巻: na ページ: 37-53
  • DOI: 10.1002/9781119611103.ch3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isolation and Characterization of Human Gut Bacteria Capable of Extracellular Electron Transport by Electrochemical Techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Naradasu Divya、Miran Waheed、Sakamoto Mitsuo、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 9 ページ: 3267-3267
  • DOI: 10.3389/fmicb.2018.03267
  • 国際共著
• [雑誌論文] Tracking Electron Uptake from a Cathode into Shewanella Cells: Implications for Energy Acquisition from Solid-Substrate Electron Donors (2018)
  • 著者名/発表者名: Rowe Annette R.、Rajeev Pournami、Jain Abhiney、Pirbadian Sahand、Okamoto Akihiro、Gralnick Jeffrey A.、El-Naggar Mohamed Y.、Nealson Kenneth H.
  • 雑誌名: mBio 巻: 9 号: 1
  • DOI: 10.1128/mbio.02203-17
  • 国際共著
• [雑誌論文] Energy Acquisition via Electron Uptake by the Sulfate-Reducing Bacterium Desulfovibrio ferrophilus IS5 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、Deng Xiao
  • 雑誌名: Journal of Japanese Society for Extremophiles 巻: 16 ページ: 66-74
  • 国際共著
• [雑誌論文] Multi-heme cytochromes provide a pathway for survival in energy-limited environments (2018)
  • 著者名/発表者名: Deng Xiao、Dohmae Naoshi、Nealson Kenneth H.、Hashimoto Kazuhito、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 4 号: 2
  • DOI: 10.1126/sciadv.aao5682
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electrochemical Detection of Deuterium Kinetic Isotope Effect on Extracellular Electron Transport in <em>Shewanella oneidensis</em> MR-1 (2018)
  • 著者名/発表者名: Tokunou Yoshihide、Hashimoto Kazuhito、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 134 号: 134
  • DOI: 10.3791/57584
• [雑誌論文] 微生物燃料電池によるエネルギーと物質生産の同時実現へ向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄
  • 雑誌名: 月刊バイオインダストリー 巻: 35
• [雑誌論文] Self-standing Electrochemical Set-up to Enrich Anode-respiring Bacteria On-site (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Akihiro、Rowe Annette、Deng Xiao、Nealson Kenneth H.
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: 137 号: 137
  • DOI: 10.3791/57632
  • 国際共著
• [雑誌論文] Interkingdom microbial consortia mechanisms to guide biotechnological applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Zhang Shu、Merino Nancy、Okamoto Akihiro、Gedalanga Phillip
  • 雑誌名: Microbial Biotechnology 巻: 11 号: 5 ページ: 833-847
  • DOI: 10.1111/1751-7915.13300
  • 国際共著
• [雑誌論文] Electrode Potential Dependency of Single-Cell Activity Identifies the Energetics of Slow Microbial Electron Uptake Process (2018)
  • 著者名/発表者名: Deng Xiao、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 9 ページ: 27441-27448
  • DOI: 10.3389/fmicb.2018.02744
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Biosynthesized Iron Sulfide Nanocluster Enhanced Anodic Current Generation by Sulfate Reducing Bacteria in Microbial Fuel Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Murugan Muralidharan、Miran Waheed、Masuda Takuya、Lee Dae S.、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: ChemElectroChem 巻: 5 号: 24 ページ: 4015-4020
  • DOI: 10.1002/celc.201801086
  • 国際共著
• [雑誌論文] Whole-cell circular dichroism difference spectroscopy reveals an in vivo-specific deca-heme conformation in bacterial surface cytochromes (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshihide Tokunou, Punthira Chinotaikul, Shingo Hattori, Thomas A. Clarke, Liang Shi, Kazuhito Hashimoto, Kazuyuki Ishii, Akihiro Okamoto
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 99 号: 99 ページ: 13933-13936
  • DOI: 10.1039/c8cc06309e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Proton Transport in the Outer-Membrane Flavocytochrome Complex Limits the Rate of Extracellular Electron Transport (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Akihiro、Tokunou Yoshihide、Kalathil Shafeer、Hashimoto Kazuhito
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 56 号: 31 ページ: 9082-9086
  • DOI: 10.1002/anie.201704241
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In situ electrochemical enrichment and isolation of a magnetite-reducing bacterium from a high pH serpentinizing spring (2017)
  • 著者名/発表者名: Rowe Annette R.、Yoshimura Miho、LaRowe Doug E.、Bird Lina J.、Amend Jan P.、Hashimoto Kazuhito、Nealson Kenneth H.、Okamoto Akihiro
  • 雑誌名: Environmental Microbiology 巻: 19 号: 6 ページ: 2272-2285
  • DOI: 10.1111/1462-2920.13723
• [雑誌論文] Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry Analysis of Individual Bacterial Cells Reveals Feedback from Extracellular Electron Transport to Upstream Reactions (2017)
  • 著者名/発表者名: SAITO Junki、HASHIMOTO Kazuhito、OKAMOTO Akihiro
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 85 号: 8 ページ: 444-446
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.85.444
  • NAID: 130005906899
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
• [学会発表] Potential Mechanism of Subsurface Life Fuelled by Extracellular Electron Uptake (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄 Deng Xiao
  • 学会等名: Australian Microbial Ecology Conference AusME
  • 国際学会
• [学会発表] Perspective for fundamentals and applications in Microbially-induced Corrosion (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄
  • 学会等名: Biocorrosion any progress in reality? A Conceptual Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Extracellular electron transport(EET) Recovers Fermentation suppressed by Highly Reductive Potential in Streptococcus mutans (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄 ナラダス ディビア
  • 学会等名: 32nd ANNUAL MEETING of JAPANESE SOCIETY for MICROBIAL ECOLOGY & 10th ASIAN SYMPOSIUM on MICROBIAL ECOLOGY(ASME)
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis on the single-cell metabolic pathway of dual isotope labeled bacteria with nanoscale secondary ion mass spectrometry (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄 齋藤 淳貴
  • 学会等名: 日本微生物生態学会第 32 回沖縄大会
• [学会発表] Long-range electron transfer in the conductive duel species aggregates of sulphate reducing bacteria and iron reducing bacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄 ムルガン ムラリダハラン
  • 学会等名: 10th Asian Symposium on Microbial Ecology
• [学会発表] Membrane Cytochromes Enable Energy Acquisition in Energy-limited Environments (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄 鄧 驍
  • 学会等名: 2018 JSME annual meeting & 10th ASME
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synergetic extracellular electron transfer from dual species in anaerobic conductive sediment (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄
  • 学会等名: Synergetic extracellular electron transfer from dual species in anaerobic conductive sediment
  • 国際学会
• [学会発表] Simultaneous analysis of single-cell metabolic pathways and bacterial activity with nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄 齋藤 淳貴
  • 学会等名: 17th International Symposium on Microbial Ecology
  • 国際学会
• [学会発表] 微生物鉄腐食研究が与える異分野融合のチャンス (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄
  • 学会等名: 日本生物工学会2018年度大会
  • 招待講演
• [学会発表] Proton-Coupled Extracellular Electron Transport via Microbial Outer Membrane Flavocytochromes (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄
  • 学会等名: 2018 MRS Fall Meeging & Exhibit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Low pH induced Extracellular Electron Transfer by an oral pathogen (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄 ナラダス ディビア
  • 学会等名: Interdisciplinary Science & Technology for Safety and Quality of Life 9th Annual ISAJ Symposium
• [学会発表] 微生物鉄腐食研究が進める異分野融合の近況 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄
  • 学会等名: 微生物腐食分科会
  • 招待講演
• [学会発表] Currents in human mouth: Oral pathogen Capnocytophaga ochracea proceeds extracellular electron transportation (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄、Shu ZHANG
  • 学会等名: MANA International Symposium 2018
• [学会発表] Electrochemical ammonium oxidation with an electroactive microbe (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄、齋藤 淳貴
  • 学会等名: MANA International Symposium 2018
• [学会発表] Acid stress induced Extracellular Electron Transfer by an oral pathogen Streptococcus Mutans UA159 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本 章玄、ナラダス ディビア
  • 学会等名: MANA International Symposium 2018
• [学会発表] Conformational change of multi-heme electron conduit in cytochromes c in whole-cell (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、徳納吉秀
  • 学会等名: JSPS 10th HOPE meeting
• [学会発表] Molecular design of electrocatalysts towards enhancement of interfacial electron transport between microorganism and electrode (2018)
  • 著者名/発表者名: 徳納吉秀、岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: 日本化学会第98回春季年会
• [学会発表] Electron transport between microorganisms and electrodes kinetically controlled by coupled proton transport (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄
  • 学会等名: Recent Progress on Interfacial Energy Conversion
• [学会発表] Proton transfer in outer-membrane flavocytochromes limit the rate of bacterial electron transport (2017)
  • 著者名/発表者名: 徳納吉秀、岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: 2017 International Workshop on Electrified Interfaces for Energy
  • 国際学会
• [学会発表] Proton Transfer in Outer-Membrane Flavocytochromes Coupled with Extracellular Electron Transport (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、徳納吉秀、橋本和仁
  • 学会等名: 24th International Symposium on Bioelectrochemistry and Bioenerg
  • 国際学会
• [学会発表] Outer Membrane Multi-heme Cytochromes Enable Extracellular Electron Uptake by Sulfate Reducing Bacteria (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、橋本和仁、Xiao Deng
  • 学会等名: International union of microbiological societies 2017
  • 国際学会
• [学会発表] MICROBIAL CATION AND ELECTRON OUTFLOW ACROSS THE OUTER MEMBRANE PROMOTES FERMENTATIVE ATP FORMATION (2017)
  • 著者名/発表者名: 徳納吉秀、岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: International union of microbiological societies 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Ammonium Oxidation with Nitric Oxide Production by Shewanella oneidensis MR-1 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: International union of microboiolgical societies2017
  • 国際学会
• [学会発表] Microbial Electrocatalysts towards Environmental Technologies: Microbial Current Production Controlled by Coupled Proton Transfer (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、徳納吉秀、橋本和仁
  • 学会等名: Interdisciplinary Symposium for Up-and-coming Material Scientist
• [学会発表] Multi-heme Cytochromes Found In Oxidized Sulfur Reducing Bacteria Mediate Direct Extracellular Electron Uptake (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、橋本和仁、Xiao Deng
  • 学会等名: Extracellular Electron Transfer: Mechanisms and Opportunities
  • 国際学会
• [学会発表] Ligation of riboflavin functionalizes outer-membrane cytochromes complex as biological diode in Geobacter sulfurreducens PCA (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、徳納吉秀、橋本和仁
  • 学会等名: Extracellular Electron Transfer: Mechanisms and Opportunities
  • 国際学会
• [学会発表] Membrane Cytochromes Enable Energy Acquisition in Energy- limited Environments (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、橋本和仁、Xiao Deng
  • 学会等名: 環境微生物系学会合同大会2017
• [学会発表] Ammonium Oxidation Coupled with Extracellular Electron Transport by Shewanella oneidensis MR-1 (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: 環境微生物系学会合同大会2017
• [学会発表] NanoSIMS Analysis of Single Electrogenic Cell Reveals Feedback from Extracellular Electron Transport to Upstream Reactions (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: 第55回 日本生物物理学会年会
• [学会発表] Circular Dichroism Spectroscopy of Living Microbe Reveals Redox-Triggered Conformational Change of Heme Cofactors in Cytochromes (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、徳納吉秀、橋本和仁
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Critical molecular structure in bound flavin cofactor to enhance hte rate of extracellular electron transport (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: International society for microbial electrochemistry and tech
  • 国際学会
• [学会発表] Whole-cell Circular Dichroism Spectroscopy Reveals Inter-Heme Interactions in Cell Surface Cytochrome c (2017)
  • 著者名/発表者名: 徳納吉秀、岡本章玄、橋本和仁
  • 学会等名: IGER International Symposium on Cell Surface Structures 2017
  • 国際学会
• [学会発表] How do small molecules govern the rate of microbial electrogenic respiration? (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄
  • 学会等名: IGER International Symposium on Cell Surface 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Whole-cell Circular Dichroism Spectroscopy Reveals Redox-Triggered Conformational Change of Multi-Hemes Conduit in Cytochromes c (2017)
  • 著者名/発表者名: 岡本章玄、徳納吉秀
  • 学会等名: MANA International Symposium 2018 Towards Perceptive Nanomaterials, Devices and Systems
• [備考] SAMURAI
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/okamoto_akihiro
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.nims.go.jp/nanointerface/iecmc_nims/index.html
• [備考] SAMURAI NIMS Resarchers Directory Service
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/okamoto_akihiro?locale=ja