電気化学と一細胞解析によって見出された新規嫌気アンモニア酸化代謝の機構解明

通过电化学和单细胞分析阐明新型厌氧氨氧化代谢机制

基本信息

批准号：
18J11933
负责人：
齋藤淳貴
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

今年度は、まず生成物の分析を行った。前年度の結果より、S. oneidensis MR-1は電流生成と共役したアンモニア酸化により一酸化窒素(NO)を作ることが示唆された。この結果を裏付けるため、電極が利用できる系と利用できない系において培地中のNH4+濃度変化を観測した。その結果、電極が利用できる系でのみNH4+濃度の減少が見られた。さらに、NOと特異的に反応して蛍光物質に変化する試薬DAF-2 DAを用いて、細胞内でNOの蓄積が生じている個体の割合を観測すると、NH4+を含まない系、及び電極が利用できない系におけるNO蓄積個体の割合は、そうでない系に比べて有意に減少した。以上より、NOは電流生成と共役したアンモニア酸化により生じていることが示された。続いて、アンモニア酸化反応に関わる遺伝子について検討した。既存の研究において、機構は不明であるものの、MR-1は亜硝酸(NO2-)からNOを生成することが報告されている。さらに、MR-1はNO2-をNH4+へと還元する酵素NrfAを持つ。以上に基づき、NrfAによる逆反応がMR-1のアンモニア酸化に関与する可能性を検討した。NrfAをコードする遺伝子nrfAを持たない遺伝子欠損株ΔnrfAを作成し、アンモニア酸化による電流生成を測定すると、MR-1の添加後約20時間は電流生成が見られなかったが、その後野生株の半分ほどの電流生成が見られた。また、電流値増加前は細胞内でのNO蓄積が見られなかったが、電流値生成中には野生株と同等のNO蓄積が見られた。これらの結果より、NrfAはアンモニア酸化に必須ではないものの、何らかの形で反応に関与していることが示唆された。本研究の結果は、省エネルギー型の廃水処理技術に、アンモニアの処理という新たな機能を付与する他、地球上の窒素循環に関する現状の理解に対し新たな示唆を与える。

今年，我们首先分析了产品。去年的结果表明，S. oneidensis MR-1 通过氨氧化和电流生成产生一氧化氮 (NO)。为了证实这一结果，我们观察了有电极的系统和没有电极的系统中培养基中 NH4+ 浓度的变化。因此，仅在有电极的系统中观察到 NH4+ 浓度下降。此外，当我们使用与NO发生特异性反应并将其转化为荧光物质的试剂DAF-2 DA来观察细胞内NO积累的个体百分比时，我们发现没有NH4+和电极的系统与不可用系统相比，不可用系统中NO积累个体的比例显着降低。上述结果表明，NO是由氨氧化与电流产生相结合而产生的。接下来，我们检查了参与氨氧化反应的基因。现有研究报道MR-1从亚硝酸盐(NO2-)生成NO，但其机制尚不清楚。此外，MR-1 含有 NrfA 酶，可将 NO2- 还原为 NH4+。基于此，我们研究了NrfA的逆反应参与MR-1的氨氧化的可能性。当我们创建不具有编码 NrfA 的基因 nrfA 的基因缺陷菌株 ΔnrfA 并测量由于氨氧化而产生的电流时，我们发现在添加 MR-1 后约 20 小时内没有观察到电流产生，但此后，其强度是野生型菌株的一半，观察到一定数量的当前代。此外，在增加电流值之前，细胞内未观察到NO积累，但在当前世代期间观察到NO积累，与野生型菌株相当。这些结果表明，虽然 NrfA 对于氨氧化不是必需的，但它以某种方式参与该反应。这项研究结果不仅为节能废水处理技术增添了新的功能，即氨的处理，而且为当前对全球氮循环的认识提供了新的建议。

项目成果

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Bioelectrochemical Interface Engineering (Electrochemical Techniques and Applications to Characterize Single‐ and Multicellular Electric Microbial Functions)

生物电化学界面工程（表征单细胞和多细胞电微生物功能的电化学技术和应用）

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Junki Saito; Muralidharan Murugan; Xiao Deng; Alexis Guinen; Waheed Miran; Akihiro Okamoto
通讯作者：
Akihiro Okamoto

Improvement of Electrochemical Conditions for Detecting Redox Reaction of K3[Fe(CN)6] toward the Application in Norovirus Aptasensor

K<sub>3</sub>[Fe(CN)<sub>6</sub>]氧化还原反应电化学检测条件的改进及其在诺如病毒适体传感器中的应用

DOI：
10.5796/electrochemistry.20-00017
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
2.5
作者：
HIRANO Seiya;SAITO Junki;YUKAWA Tomoki;SANO Daisuke;OKAMOTO Akihiro;OKABE Satoshi;KITAJIMA Masaaki
通讯作者：
KITAJIMA Masaaki

The randomness of individual cellular metabolic pathway analyzed with nanoscale secondary ion mass spectrometry

用纳米级二次离子质谱分析个体细胞代谢途径的随机性