2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of enzyme-based biofuel cells using a lytic polysaccharide monooxygenase-based electrode
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17K17703
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
武田 康太 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (20781123)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | PQQ / 酵素電極 / 結晶構造解析 / 木材腐朽菌 / 直接電子移動反応 / バイオ燃料電池 / CDH / ヘム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
糸状菌による植物細胞壁分解過程において、セルラーゼが触媒する加水分解反応に加え、セロビオース脱水素酵素(CDH)や多糖溶解性モノオキシゲナーゼ(LPMO)による酸化還元反応もまた重要であることが近年報告されている。担子菌Coprinopsis cinerea由来ピロロキノリンキノン(PQQ)依存性ピラノース脱水素酵素(CcPDH)は、本課題の木材腐朽菌の酸化還元酵素を利用したバイオ燃料電池のアノード側の酸化触媒酵素の一つである。本年度、CcPDHについて新たな成果が得られた。LPMOはCDHのシトクロムドメインを介した電子供与を受けて活性化される。CcPDHも同様にLPMOを活性化することがわかった。CcPDHの反応では、触媒部位のPQQドメインで糖が酸化され、電子伝達部位であるシトクロムbドメインへと電子が移動する。最適化された酵素電極では各ドメインとも電極への直接電子移動反応(DET)が可能である。ヘム近傍に位置するアルギニン残基を置換した変異体の解析結果から、このアルギニン残基によってできるヘム周辺の正電荷が、分子内電子移動に極めて重要な役割を果たしていることを示唆する結果が得られた。酵素を固定化する上で必要な電極上に修飾した自己組織化単分子層(SAM)について、そのアルキル鎖長や官能基がCcPDHの電子移動反応に与える影響について検討した。わずかなアルキル鎖長の違いによって、CcPDHから電極への電子移動経路が異なることが明らかとなった。シトクロムドメインを介した酵素電極反応系の場合、各pHにおける野生型と変異体のボルタモグラムの形状に違いがあり、変異導入が電極上でのドメイン間電子移動反応に影響していると考えられた。一方で、CDHで報告されているような金属陽イオン等の添加による電子移動反応への効果は、CcPDHには当てはまらないことが示唆された。
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