研究課題
本研究では、クリーンエネルギー源として注目されている水素に着目し、その効率的な生成法となる新規生体触媒を活用したエネルギー変換系を提示する。しかし、水素は、気体では体積当たりのエネルギー密度が大変低く、気体のままでの大規模な貯蔵・利用には安定性に問題がある。そこで、安定かつ効率的な貯蔵・運搬可能な液体であるギ酸が注目される。そのため、均一・不均一系触媒によるギ酸を水素に変換する研究開発が行なわれてきた。しかし、高い反応効率を示す合成触媒は、貴金属や有機溶媒を用いる系が多く、コストや環境負荷への観点から課題が残る。一方、生体には、ギ酸を触媒するギ酸デヒドロゲナーゼと水素を触媒するヒドロゲナーゼが１つに合体したギ酸―水素リアーゼという酵素がある。この酵素は高い触媒反応性を示すが、酸素に不安定であり、酸素暴露後に失活してしまうという問題がある。申請者は、これらの問題点を解決するため、これまでに「酸素に安定なヒドロゲナーゼとギ酸デヒドロゲナーゼ」を精製し、その生化学的な特性解析を行ってきた。筆者らが精製した両酵素はいずれも細胞膜上に存在するため、細胞膜を用いたエネルギー変換系の構築から研究を進めている。具体的には、申請者らが単離した新規細菌Citrobacter sp. S-77から細胞膜を単離し、導電性の担体であるカーボンブラックに担持し、天然由来ポリマーなどで固定化することでギ酸からの水素生成系を構築した。また、両酵素分子間の電子伝達を促進するために、メチルビオロゲンなどの安定な人工電子伝達体を用いて触媒反応性を評価した。しかし、細胞膜を用いた反応系では精製酵素の触媒反応効率と比較すると、その反応効率が著しく低いという問題がある。そこで、今後は、細胞膜から両酵素を完全に精製し、精製酵素によるエネルギー変換系の構築と評価を目指す。
2: おおむね順調に進展している
両酵素「酸素に安定な新規[NiFe]ヒドロゲナーゼと[Mo]ギ酸デヒドロゲナーゼ」は、培養条件によって発現系が異なる。しかし、両酵素を同時に発現する培養法が確率できていなかった。平成３０年度では両酵素を高効率で発現できる培養法の確立に成功した。さらに、細胞膜酵素をカーボン担体とポリマーなどで固定化し、新規にギ酸から水素生成のエネルギー変換系を構築した。その結果、本実験系では、カーボン粒子に固定した細胞とカーボンを使用しない両実験系で、同程度のギ酸から水素発生の活性が検出された。
これまでの研究結果では、単離細胞膜を導電性の担体であるカーボンブラックに担持し、天然由来ポリマーで固定化することを特徴としている。しかし、細胞を用いた反応では精製酵素からの反応効率と比較すると、その反応効率は低いことが示された。そこで、今後は、精製酵素を用いた触媒反応系の構築が必要と考えられる。本年度からは、酸素安定性の両酵素を細胞膜から完全精製し、精製酵素を用いたエネルギー変換系の構築とその反応特性を評価する。
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