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緑色硫黄細菌の光合成水素生産系を利用したメタン生成法の開発

公募研究

研究領域光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
研究課題/領域番号 20H05119
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関立命館大学

研究代表者

浅井 智広  立命館大学, 生命科学部, 講師 (70706564)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワード緑色硫黄細菌 / 水素 / メタン / 共培養 / 光合成メタン生成系 / ヒドロゲナーゼ / 光合成水素生産 / メタン菌 / 光合成メタン生産
研究開始時の研究の概要

持続的な「低炭素社会」を実現するためには、光合成による高効率でクリーンな二酸化炭素還元システムの構築が望まれる。光合成生物のバイオエンジニアリングによる生物学的な燃料物質の生産システムでは、水素生産には多くの成功例が蓄積されてきている一方、二酸化炭素の還元による炭素化合物の生産系には未だ成功例がない。本研究課題では、申請者が独自に構築した緑色硫黄細菌の絶対嫌気性の光合成水素生産系と、独立栄養性の古細菌であるメタン生成菌の異化的な二酸化炭素還元によるメタン生成系を融合させる。これにより、前例のない全く新しい生物学的な燃料物質の生産系・人工光合成系として光合成メタン生成系を確立する。

研究実績の概要

本年度の研究では、緑色硫黄細菌Chlorobaculum tepidumとメタン菌Methanococcus maripaludisを同一の培地で培養する「混合系」での共培養を試みた。緑色硫黄細菌とメタン菌の共培養に前例はなく、当然ながら混合系に適した培地も知られていなかったため、本研究により両菌種が生育可能な無機培地を新たに作成した。両菌種の単独培養に使用される培地の組成を比較し、片方の菌種が特異的に要求する栄養物質がもう片方の菌種の増殖に与える影響を調べた結果、両菌種の栄養要求性は大部分が共通していたが、M. maripaludisは海洋性であるために増殖にナトリウムイオンが不可欠であることがわかった。逆にC. tepidumの増殖は高濃度のナトリウムイオンで阻害されたため、それぞれの濃度依存性を調べることで両菌種が増殖可能なナトリウムイオン濃度を見出した。一方、M. maripaludisではナトリウムイオン非存在下での培養中にpHが変化してしまったが、培地のpH緩衝剤を再検討することでpH恒常性を担保できることがわかった。これらの結果を総合し、C. tepidumとM. maripaludisのどちらもが単独で増殖可能な培地の化学組成を決定した。この培地をもちいてC. tepidumとM. maripaludisの混合系での共培養を行った結果、気相中に有意なメタンの蓄積が認められた。混合系でのメタンの蓄積は両菌種の増殖とC. tepidumの光合成的な水素生成に依存していた。メタンの蓄積量は、C. tepidumとM. maripaludisの両菌種の単独培養に使用される培地を当量混合しただけの非最適化培地を使用した場合の10倍以上であり、両菌種が最適な培地で増殖する気相共有系での共培養に比肩する量であった。これは、天然には存在しない生物プロセスである「光合成メタン生成系」が実現可能であることを強く示唆している。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] Yale University(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] Imperial College London(英国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Recent advances in the structural diversity of reaction centers2021

    • 著者名/発表者名
      Gisriel Christopher J.、Azai Chihiro、Cardona Tanai
    • 雑誌名

      Photosynthesis Research

      巻: 149 号: 3 ページ: 329-343

    • DOI

      10.1007/s11120-021-00857-9

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Green Bacteria ? Energy Transfer and Electron Transport2020

    • 著者名/発表者名
      Oh-oka Hirozo、Harada Jiro、Azai Chihiro.
    • 雑誌名

      Reference Module in Life Sciences

      巻: 1 ページ: 1-19

    • DOI

      10.1016/b978-0-12-819460-7.00031-1

    • ISBN
      9780128220405
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energy transfer and primary charge separation upon selective femtosecond excitation at 810 nm in the reaction center complex from Heliobacterium modesticaldum2020

    • 著者名/発表者名
      Kojima Risa、Yamamoto Hayata、Azai Chihiro、Uragami Chiasa、Hashimoto Hideki、Kosumi Daisuke、Oh-oka Hirozo
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 401 ページ: 112758-112758

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112758

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Anaerobic energy dissipation by glycosylated carotenoids in the green sulfur bacterium Chlorobaculum tepidum2020

    • 著者名/発表者名
      Azai Chihiro、Harada Jiro、Fujimoto Shogo、Masuda Shinji、Kosumi Daisuke
    • 雑誌名

      Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry

      巻: 403 ページ: 112828-112828

    • DOI

      10.1016/j.jphotochem.2020.112828

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 嫌気性緑色硫黄細菌におけるRieske/cytb複合体とc型シトクロムとの構造機能相関の解析2022

    • 著者名/発表者名
      岸本 拓、浅井 智広、武藤 梨沙、田中 秀明、宮ノ入 洋平、栗栖 源嗣、大岡 宏造
    • 学会等名
      第63回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ヘリオバクテリア光合成反応中心におけるカロテノイド励起後のエネルギー移動反応解析2022

    • 著者名/発表者名
      小島 理沙、野原 大暉、浅井 智広、小澄 大輔、大岡 宏造
    • 学会等名
      第63回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌の光合成反応中心におけるFMOタンパク質の可逆的な結合と解離2022

    • 著者名/発表者名
      稲垣 知実、寺内 一姫、浅井 智広
    • 学会等名
      第63回 日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌からみた光合成反応中心の構造多様性2022

    • 著者名/発表者名
      浅井 智広
    • 学会等名
      原核光合成生物シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌とメタン生成菌の人工共生系の構築2022

    • 著者名/発表者名
      浅井 智広
    • 学会等名
      新学術領域研究「革新的光物質変換」第4回最終公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] キノン分子から見た光合成反応中心の構造と機能2021

    • 著者名/発表者名
      浅井 智広
    • 学会等名
      第1回光合成タンパク質勉強会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 細菌と植物のもつ多様な光合成 I 型反応中心の光捕集機能に関する比較2021

    • 著者名/発表者名
      木村 明洋、鬼頭 宏任、浜口 祐、米倉 功治、川上 恵典、菓子野 康浩、浅井 智広、 大岡 宏造、伊藤 繁
    • 学会等名
      量子生命科学会 第3回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Effect of Phylloquinone on Green Sulfur Bacterial Reaction Center Studied by Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      K. Hinago, T. Inagaki, T. Yamamoto, M. Hoashi, K. Sugihara, C. Azai, Y. Nagasawa
    • 学会等名
      16th International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ヘリオバクテリア光合成反応中心におけるエネルギー移動および電子移動機構2021

    • 著者名/発表者名
      小島 理沙、山元 颯太、浅井 智広、野原 大暉、小澄 大輔、大岡 宏造
    • 学会等名
      第11回日本光合成学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 細菌型タイプ1反応中心のキノン電子受容体のin silico機能解析2021

    • 著者名/発表者名
      高橋 実佳、中庭 哲津子、武藤 梨沙、寺内 一姫、田中 秀明、大岡 宏造、栗栖 源嗣、浅井 智広
    • 学会等名
      第11回日本光合成学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌の反応中心に対するフィロキノンの効果:フェムト秒過渡吸収スペクトル解析2021

    • 著者名/発表者名
      日名子 一起、山本 哲也、稲垣 知実、杉原 敬太、帆足 征峻、浅井 智広、長澤 裕
    • 学会等名
      第11回日本光合成学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌反応中心の表在性サブユニット結合に対する塩濃度とpHの影響2021

    • 著者名/発表者名
      稲垣 知実、吉野 晴貴、寺内 一姫、浅井 智広
    • 学会等名
      第11回日本光合成学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌とメタン生成菌の共培養による光依存的メタン発生2021

    • 著者名/発表者名
      浅井 智広
    • 学会等名
      新学術領域研究「革新的光物質変換」第3回公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Numerical Modeling for Electron Transfer Reactions in the Bacterial Type- I Photosynthetic Reaction Centers2021

    • 著者名/発表者名
      M. Takahashi, T. Nakaniwa, R. Mutoh, K. Terauchi, H. Tanaka, H. Oh-oka, G. Kurisu, C. Azai
    • 学会等名
      第62回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Purification of the Rieske/cytb complex under anaerobic conditions and interaction analysis with c-type cytochromes in green sulfur bacteria2021

    • 著者名/発表者名
      H. Kishimoto, T. Nagaoka, C. Azai, R. Mutoh, H. Tanaka, Y. Miyanoiri, G. Kurisu, H. Oh-oka
    • 学会等名
      第62回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Studies on interaction between Rieske/cytb complex and c-type cytochromes in strictly anaerobic photosynthetic green sulfur bacteria2020

    • 著者名/発表者名
      H. Kishimoto, T. Nagaoka, C. Azai, R. Mutoh, H. Tanaka, Y. Miyanoiri,G. Kurisu, H. Oh-oka
    • 学会等名
      第58回 日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Studies on excitation energy transfer and primary charge separation in the reaction center complex from Heliobacterium modesticaldum2020

    • 著者名/発表者名
      R. Kojima, H. Yamamoto, C. Azai, C. Uragami, H. Hashimoto, D. Kosumi, H. Oh-oka
    • 学会等名
      第58回 日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [図書] 光合成細菌2020

    • 著者名/発表者名
      嶋田 敬三、高市 真一
    • 総ページ数
      320
    • 出版者
      裳華房
    • ISBN
      9784785358709
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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