微生物が引き起こす酸化鉄の電位変動と代謝への影響

微生物引起的氧化铁的潜在波动及其对代谢的影响

• 批准号: 16J09656
• 负责人: 山田 哲也
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J09656/
• 关键词: 脱窒; Pseudomonas stutzeri; 細胞外電子移動; 酸化鉄; シトクロム; 一酸化窒素; Raman; 同位体効果; シュードモナス; ラマン; 代謝制御

微生物代謝と鉱物などの固体物質の持つ電位の関係を調べる研究を進めた。その中で注目した微生物は脱窒菌という一種の土壌細菌であり、鉄酸化物を酸化することが知られているがそのメカニズムに関しては明らかにされていなかった。脱窒菌の重要性は硝酸イオンなどの固定窒素をN2OやN2に還元し大気へ放出することであり、正常な窒素循環を保つ上で重要な役割を担っている。そこで、脱窒菌と酸化鉄との間で起こる電子のやり取りを電気化学的に計測することで脱窒菌の代謝をモニタリングし、人為的に電子授受を調整することで脱窒菌の代謝をコントロールしようとした。本研究で得られた成果は脱窒菌（Pseudomonas stutzeri）をITO電極上で酸化鉄を含む培地で培養し脱窒菌が出す電流を計測したこと、そして、脱窒反応を電極電位により制御したことが挙げられる。さらには微生物の代謝電流を計測する手法を応用し、地球科学的に重要な数値である速度論的同位体効果の検出に成功している。また、脱窒反応の電子の流れを調べるためにRaman、ESRといった分光学的手法を生細胞に適用し、細胞全体で起こる電子授受及び分子の挙動を調べた。そして、電子伝達系において重要な役割を果たしているシトクロムのスピン状態及び電子状態を観察することに成功し、低スピン状態のシトクロムが電子授受に関わっている可能性が高いことを示した。更に、脱窒過程で発生する一酸化窒素の中間体としてニトロシルヘムやジニトロシルジチオラト鉄錯体が形成されることを示した。一酸化窒素はシグナル分子として知られ生化学的に重要な役割を果たしている。以上より脱窒菌と物質との電子のやり取りを調整することで代謝を制御しただけでなく、地球化学的に重要な速度論的同位体効果の検出、および、生化学的に重要なNO挙動解析等を行い幅広い分野に波及する成果を得ている。

我们进行了研究，以调查微生物代谢与矿物质等固体材料的电势之间的关系。他们关注的微生物是一种称为反硝化细菌的土壤细菌，已知这种细菌可以氧化铁氧化物，但这种情况发生的机制尚未阐明。反硝化细菌的重要性在于它们将硝酸根离子等固定氮还原为N2O和N2并释放到大气中，在维持正常的氮循环中发挥着重要作用。因此，我们尝试通过电化学测量反硝化细菌与氧化铁之间发生的电子交换来监测反硝化细菌的代谢，并通过人为调节电子交换来控制反硝化细菌的代谢。本研究获得的结果是，在含有氧化铁的介质中，在ITO电极上培养反硝化细菌（施氏假单胞菌），测量反硝化细菌发出的电流，并发现反硝化反应受电极电位控制。可以提及。此外，通过应用测量微生物代谢电流的方法，我们成功地检测到了动力学同位素效应，这是地球科学中的重要数据。此外，我们将拉曼和ESR等光谱技术应用于活细胞，以研究反硝化反应过程中电子的流动，并研究整个细胞中发生的电子转移和分子行为。他们成功地观察了在电子传递链中发挥重要作用的细胞色素的自旋和电子状态，并表明低自旋细胞色素很可能参与电子传递。此外，研究表明，亚硝酰血红素和二亚硝基二硫醇铁络合物是作为反硝化过程中产生的一氧化氮的中间体形成的。一氧化氮被称为信号分子，发挥着重要的生化作用。综上所述，我们不仅通过调节反硝化细菌与物质之间的电子交换来控制代谢，还检测了地球化学上重要的动力学同位素效应和生物化学上重要的NO行为分析，我们取得的成果已扩展到广泛的领域。

项目成果

Extracellular Electron Transfer of <i>Pseudomonas stutzeri</i> Driven by Lithotrophic and Mixotrophic Denitrification

石质营养和混合营养反硝化驱动的<i>施氏假单胞菌</i>的细胞外电子转移

• DOI: 10.5796/electrochemistry.84.312
• 发表时间: 2016
• 期刊: Electrochemistry
• 影响因子: 2.5
• 作者: Tetsuya Yamada;Satoshi Kawaichi;Akihisa Matsuyama;Minoru Yoshida;Nobuhiro Matsushita;Ryuhei Nakamura
• 通讯作者: Ryuhei Nakamura

Denitrification Triggered by Extracellular Electron Transfer

细胞外电子转移引发的反硝化

• 发表时间: 2016
• 作者: Tetsuya Yamada;Satoshi Kawaichi;Akihisa Matsuyama;Minoru Yoshida;Nobuhiro Matsushita;Ryuhei Nakamura;Tetsuya Yamada;山田 哲也;Tetsuya Yamada
• 通讯作者: Tetsuya Yamada

脱窒菌が引き起こす代謝電流による同位体効果 の計測

反硝化细菌代谢电流引起的同位素效应的测量

• 发表时间: 2017
• 作者: Tetsuya Yamada;Satoshi Kawaichi;Akihisa Matsuyama;Minoru Yoshida;Nobuhiro Matsushita;Ryuhei Nakamura;Tetsuya Yamada;山田 哲也
• 通讯作者: 山田 哲也

Bioenergetics and electron pathway of nitrate-dependent iron oxidizer Pseudomonas stutzeri

硝酸盐依赖性铁氧化剂施氏假单胞菌的生物能学和电子途径

• 发表时间: 2017
• 作者: Tetsuya Yamada;Satoshi Kawaichi;Akihisa Matsuyama;Minoru Yoshida;Nobuhiro Matsushita;Ryuhei Nakamura;Tetsuya Yamada
• 通讯作者: Tetsuya Yamada

細胞外電子移動による脱窒菌の代謝 制御

通过细胞外电子转移控制反硝化细菌的代谢

• 发表时间: 2016
• 作者: Tetsuya Yamada;Satoshi Kawaichi;Akihisa Matsuyama;Minoru Yoshida;Nobuhiro Matsushita;Ryuhei Nakamura;Tetsuya Yamada;山田 哲也;Tetsuya Yamada;山田 哲也;山田 哲也
• 通讯作者: 山田 哲也