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

2020 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電流値が最大化する条件とその機構を相関を調べた。遺伝子発現を制御して、細胞表面の膜タンパク質濃度を増加させると力学的相互作用によって、ヘム間相互作用が大きく減少、それに伴って電流生成速度も減少した。細胞表面が混み合うことで、膜タンパク質の構造柔軟性が減少することも確認された。さらに、小分子によるプロトン排出を加速させる効率に関しても変化が観測されており、細胞膜上の膜タンパク質間同志の力学的な相互作用を制御することで、酵素あたりの電子・プロトン移動速度の制御を達成した。代謝と電子移動が電極上の細菌において共役していることも、開発した同位体標識による１細胞代謝活性の追跡法によって達成した。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] CSIRO(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: CSIRO
• [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] 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 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 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 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