New field of managing microbes: Elucidation of electrically metabolic switching mechanisms

微生物管理新领域：阐明电代谢转换机制

• 批准号: 21H03633
• 负责人: 二又 裕之
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: Shizuoka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 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-21H03633/
• 关键词: 代謝制御; 微生物生態; 硫酸還元細菌; 細胞外電子伝達; 電気化学; 細胞外電子伝達機構; 代謝; 制御; 微生物燃料電池; 電極呼吸

生物学的廃水処理、環境浄化およびエネルギー生産は、社会基盤を支える重要な技術であり、それらの安定的制御あるいは更なる効率化は必須の課題である。これらの技術の根幹は微生物の代謝にある。そこで本研究では、微生物代謝を自在に発現制御可能とする新規技術の構築を目標とする。特に、嫌気環境微生物の代謝制御は、エネルギー低負荷型技術の開発にとって必要不可欠である。代表的な嫌気微生物の一種である硫酸還元微生物は、有機物分解や金属腐食に深く関与する善悪両面から注目すべき微生物の一つである。我々は、硫酸還元微生物が細胞外電子伝達に伴い、これまで排出していた酢酸を利用し、硫化水素を発生しないこと、を見出した。以上の結果は、微生物代謝を電気的に制御できる可能性を示唆している。そこで本研究では、微生物代謝の電気的制御技術構築を究極の目標とし、当該微生物の細胞外電子伝達機構とそれに伴う代謝スイッチング制御機構の解明を目的とする。今年度は、異なる電子供与体および受容体存在下での生育評価および分子生物学的解析に向けた準備を実施した。供試微生物硫酸還元細菌HK-II株は、電子供与体として乳酸および電子受容体として電極を用いた微生物燃料電池（MFC）条件下で電流生産が確認された。さらに、負電極電位を異なる電位に固定した条件下では、負の電位では電流生産を生じず、+0.2Vから+0.4V（vs SHE）でより高い電流生産を発揮し、特異的な電位に応答した細胞外電子伝達を行っていることが示された。どの様な遺伝子およびタンパク質が関与しているかどうかを調べるため、まず、HK-II株のゲノム解読を実施し、完全長の解読に成功した。今後、ゲノム解析、トランスクリプトーム解析、発現タンパク質解析を通じて、細胞外電子伝達機構の解明を進めていく予定である。

生物废水处理，环境净化和能源生产是支持社会基础设施的重要技术，并且稳定地控制这些技术或进一步的效率是一个必要的问题。这些技术的基础在于微生物的代谢。因此，这项研究旨在开发新技术，从而自由控制微生物代谢。特别是，厌氧微生物的代谢控制对于低能能量技术的发展至关重要。还原硫酸盐的微生物，是最典型的厌氧微生物之一，是一种高度参与有机物分解和金属腐蚀的微生物之一，是应在好与坏方面注意的微生物之一。我们已经发现，硫酸盐还原微生物不会通过使用乙酸产生硫化氢，该乙酸迄今由于细胞外电子的转移而被排出。以上结果表明微生物代谢可以受到电控制。因此，该研究旨在为微生物代谢建立电气控制技术的最终目标，并阐明微生物的细胞外电子转移机制以及与之相关的代谢开关控制机制。今年，在存在不同的电子供体和受体的情况下，进行了制剂以进行生长评估和分子生物学分析。确认使用乳酸作为电子供体和电极作为电子受体的测试微生物还原细菌HK-II HK-II在微生物燃料电池（MFC）条件下产生电流。此外，显示在负电极电势以不同电位固定的条件下，负电势不会产生电流，但在 +0.2V和 +0.4V之间显示出较高的电流产量（vs she），而细胞外电子转运则响应特定电位。为了研究涉及哪种基因和蛋白质，首先对HK-II菌株进行解密，并且全长解密成功。将来，我们计划通过基因组分析，转录组分析和表达的蛋白质分析来阐明细胞外电子转移机制。

项目成果

微生物由来蓄電性鉱物を介した電子共生に基づく嫌気バイオプロセスの向上

通过微生物衍生的电容性矿物质改善基于电子共生的厌氧生物过程

• 发表时间: 2021
• 期刊: 日本生物工学会トピックス集
• 作者: 林稜也;安池一貴;片桐美紀;大前貴裕;窪野一郎;田代陽介;二又裕之
• 通讯作者: 二又裕之

微生物由来蓄電性鉱物による嫌気物質変換能向上に寄与する微生物電子共生系の特性

微生物电子共生系统的特征有助于提高微生物来源的电容性矿物质的无氧转化能力

• 发表时间: 2021
• 作者: 林稜也;安池一貴;片桐美紀;大前貴裕;窪野一郎;田代陽介;二又裕之
• 通讯作者: 二又裕之

微生物のチカラで生ゴミから電気を

利用微生物的力量从垃圾中发电

• 发表时间: 2021
• 作者: Amin Muhammad;Handika Rizki Andre;Putri Rahmi Mulia;Phairuang Worradorn;Hata Mitsuhiko;Tekasakul Perapong;Furuuchi Masami;和田龍一，定永靖宗，加藤俊吾，大河内博，森樹大，三浦和彦，小林拓，鴨川仁，皆巳幸也，松見豊，梶野瑞王，松本淳，米村正一郎，速水洋，土器屋由紀子，畠山史郎;二又裕之
• 通讯作者: 二又裕之

微生物による発電・水素生産技術

利用微生物发电及制氢技术

• 发表时间: 2021
• 作者: 監修：渡辺一哉;分担：二又裕之（第４章）
• 通讯作者: 分担：二又裕之（第４章）

微生物を用いた水質浄化への試みと微生物燃料電池の将来展望

利用微生物净化水的尝试和微生物燃料电池的未来前景

• 发表时间: 2021
• 作者: 島朋輝;宮川涼;小林剛;亀屋隆志;二又裕之
• 通讯作者: 二又裕之