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

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04969
• 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, 独立研究者 (70710325)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 細胞外電子移動 / 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

研究実績の概要

本研究では、申請者らが発見した「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」の微生物学的 、電気化学的解析を行い、その分子機構の解明、ならびにモデル系(大腸菌)での電極による発酵反応の高速化を実証する。本年度は、遺伝子改変によって細胞外電子移動能を獲得した大腸菌株を用いて、膜タンパク質におけるヘム反応中心間の相互作用ならびにプロトン移動の相関を調べた。遺伝子発現を誘導して膜タンパク質の細胞表面濃度を変化させるとヘム間相互作用が大きく変化し、それに伴って電流生成速度も増加した。電子伝達タンパク質間の膜上での相互作用が大きく電子移動速度に影響を与えることは初めて確認された。また、脂質二重膜の組成も膜タンパク質の構造を変化させ、ヘム反応中心間の相互作用を変化させることが明らかになった。当初予想していなかった生細胞特有の動的なタンパク質特性は、電流生成の新しい制御法となることが考えられる。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初計画していた遺伝子改変した大腸菌の実験が上手く進み、生細胞に特有の電子移動速度の制御因子が見出された。また、鉄還元細菌の遺伝子を網羅的にスクリーニングすることが可能なハイスループット電気化学測定系が完成したため、今後新たな遺伝子レベルの知見が得られることが見込まれる。

今後の研究の推進方策

引き続き、遺伝子改変した大腸菌における電子移動速度を向上させるための研究を行っていく。次年度は特にプロトン移動動力学を制御する小分子を使った実験を行い、大腸菌の代謝反応の大幅加速を目指す。さらに、遺伝子破壊株ライブラリを用いることで、電子移動速度に支配的な影響を及ぼす遺伝子を網羅的に特定し、特に重要な物に関しては、その機能解明を行う。

研究成果

• [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 ページ: 1659～1663
  • DOI: 10.1002/elan.201900686
  • 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] A Human Pathogen Capnocytophaga Ochracea 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 ページ: 224～229
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.20-00021
  • 査読あり / 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 ページ: 205～209
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.20-00017
  • 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 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
  • 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
• [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