| 研究課題/領域番号 |
20J21308
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
足立 大宜 京都大学, 農学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | バイオエレクトロカタリシス / 直接電子移動 / 酸化還元酵素 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は，研究課題の根幹となる次の2点に焦点を当て，酵素電極反応の詳細な解析を行った．
（1）アルコール脱水素酵素の直接電子移動型酵素電極反応におけるシアン化物イオン効果の検証
本研究では，酢酸菌由来のアルコール脱水素酵素に注目し，本酵素の直接電子移動反応についての詳細な解析を行った．その結果，電極の種類を変えたり，電極にあらかじめ表面修飾を施したりすると，本酵素の反応特性は大きく変化することが分かった．これらの反応特性の変化について，従来のモデルを用いて速度論的解析を行った結果，類似の酵素と同様の説明ができることが示唆された．さらに，酵素内のコファクターの酸化還元電位についての熱力学的な考察を踏まえ，コファクターの電位を大きく変化させるシアン化物イオンが共存する条件においては，酵素電極反応が促進されることを確認した．本研究に関しては，Bioelectrochemstry誌に論文を掲載した．
（2）マルチ銅オキシダーゼのCu2+依存性還元的不活性化現象の速度論的解析
マルチ銅オキシダーゼは酸素の4電子還元を触媒し，電極と直接的に電子を授受することで酵素電極反応を進行する．また，その高い触媒活性から，バイオ燃料電池のカソード触媒として注目されている．本研究では，マルチ銅オキシダーゼの一種であるCueOの酵素電極反応におけるCu2+添加効果を検証した．その結果，還元的条件において，Cu2+はマルチ銅オキシダーゼに対して可逆的な阻害作用を示した．そこで，本現象を速度論的に解析し，反応速度定数の電位依存性，基質濃度依存性，Cu2+濃度依存性に基づいて，不活性化／再活性化機構を考察した．本研究に関しては，現在論文を執筆中である．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題の最終的な目標は，生物電気化学的エネルギー変換デバイスの構築という応用的側面の強いものである．しかし，デバイスに実装する反応系だけに実験条件を制限すると，課題の本質を理解できないまま研究を進めてしまう危険がある．そこで，本年度は，反応様式の基礎的な理解を深めるために，種々の酸化還元酵素を用いて研究を遂行した．その結果，生体触媒（酵素）反応と電極反応の共役反応である「酵素電極反応」に関する新たな知見が得られたほか，本反応を詳細に解析することに成功した．これらの知見は，本来の研究計画には具体的に含まれていなかったものであるが，生物電気化学的エネルギー変換系の実現において必要不可欠な要素であり，このような基礎的検討の先にさらなる応用的発展があると確信している．つまり，急がば回れの精神が功を奏したと言える．
以上の理由から，現在までの研究課題の進捗状況は，おおむね順調に進展していると考えている．
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度は，触媒であるチラコイド膜自体を高活性化することで，さらなる高性能光応答電極の開発を試み，実際にデバイスを構築する必要がある．そこで，以下のアプローチで研究を遂行する予定である．
（1）変異型チラコイド膜の作製および特性評価
まず，タンパク質結晶構造データをもとに，好熱性シアノバクテリアThermosynechococcus elongatusで変異体チラコイド膜を複数デザインし，その大量発現系を構築する．そして，改変したチラコイド膜の反応特性を評価し，変異導入がもたらす効果を電気化学的・分光学的に測定・解析する．その後，優れた性能を示す変異体を用いて光応答性電極を作製し，その特性評価を行う．
（2）生物電気化学的人工光合成デバイスの作製および特性評価
（1）で評価および最適化した光応答性電極を用い，光エネルギー変換デバイスである人工光合成の反応系を確立する．そして，その出力および連続動作時の安定性を電気化学的に評価し，既報のものと比較検討を行う．
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