Development of Escherichia coli catalyst with highly integrated excellent functions for high performance of microbial fuel cell

开发高度集成优异功能的大肠杆菌催化剂，实现微生物燃料电池的高性能

基本信息

批准号：
21K04796
负责人：
東雅之
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Osaka Metropolitan University (2022)Osaka City University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04796/
关键词：
微生物燃料電池バイオ燃料電池微生物触媒代謝 MFC 大腸菌生体触媒

项目摘要

本課題では微生物（大腸菌）燃料電池に着目し、燃料をグルコースとした時の出力改善に向けて大腸菌の改変に取り組んでいる。先行研究では高い平均出力を示す5重遺伝子欠損株（Δ5株）を構築した。本課題では「染色体改変技術を用いた大腸菌への有用機能の集約」と「触媒の簡易評価システムの構築とそれを用いた有用変異のスクリーニング」からさらなる改善を進めている。これまでに、Δ5株にホスホエノールピルビン酸からオキサロ酢酸への変換に関わる遺伝子ppcを導入した株では、平均出力は野生株より大きく低下するが、クーロン効率（C効率）は大幅に増加することを明らかにした。さらに、Δ5+ppc株にgalp遺伝子の過剰発現を組み合わせたΔ5+ppc+galp株を構築し、平均出力はΔ5株より僅かに低下するがC効率は逆に高くなることを示した。また、触媒評価システムの構築では、キノン系化合物HNQの酸化型（赤橙色）と還元型（無色）の色の違いより細胞からのメディエーターへの電子移動を目視で評価する系を構築した。2022年度は上記研究を継続した。有用機能の集約では、Δ5+ppc株のppc発現量をプロモータの変異により弱めたΔ5＋ppc（30%）株を構築し評価した。その結果、Δ5株とほぼ同じ平均出力を示し、C効率はΔ5+ppc株より低いが、Δ5株より高い値を示した。この株のグルコース消費を高めるため、galPとglk遺伝子の過剰発現を組み合わせたΔ5＋ppc（30%）+galP+glk株を新たに構築した。平均出力はΔ5株とほぼ同じ値を示し、C効率は僅かに低下する傾向が見られた。簡易評価システムを用いたスクリーニングでは、新たに野生株をベースにランダムに変異処理を行い、得られた変異株をHNQの色の変化を指標とした系で1次選抜した後に発電評価を行った。2株で平均出力が向上し1株は野生株の1.3倍の平均出力を示した。

在这个项目中，我们专注于微生物（大肠杆菌）燃料电池，并致力于改造大肠杆菌以提高使用葡萄糖作为燃料时的产量。在之前的研究中，我们构建了具有高平均产量的5倍基因缺失菌株（Δ5菌株）。在这个项目中，我们正在通过“利用染色体修饰技术将有用的功能整合到大肠杆菌中”和“构建一个简单的催化剂评估系统并用它来筛选有用的突变”来进行进一步的改进。到目前为止，我们已经证明，在引入参与磷酸烯醇式丙酮酸转化为草酰乙酸的基因ppc的Δ5菌株中，平均产量显着低于野生菌株，但库伦效率（C效率）为显着增加。此外，我们将Δ5+ppc菌株与过表达galp基因相结合，构建了Δ5+ppc+galp菌株，结果表明，虽然平均产量略低于Δ5菌株，但C效率反而更高。此外，在构建催化剂评估系统时，我们构建了一个系统，根据醌化合物HNQ的氧化形式（红橙色）和还原形式（无色）之间的颜色差异，直观地评估从细胞到介体的电子转移。 2022年，我们继续进行上述研究。为了巩固有用的功能，我们构建并评估了Δ5+ppc（30%）菌株，其中Δ5+ppc菌株的ppc表达水平因启动子突变而减弱。结果，其显示出与Δ5菌株几乎相同的平均输出，并且C效率低于Δ5+ppc菌株，但高于Δ5菌株。为了增加该菌株的葡萄糖消耗，我们构建了新的Δ5+ppc (30%)+galP+glk菌株，该菌株结合了galP和glk基因的过表达。平均输出几乎与Δ5应变相同，并且C效率略有下降。在使用简单评估系统的筛选中，我们对新的野生型菌株进行随机突变处理，并以HNQ的颜色变化为指标对所得突变菌株进行初选，然后进行发电评估。两个菌株的平均产量有所提高，其中一个菌株的平均产量是野生型的 1.3 倍。