地下生命圏における炭素循環研究の深化ー微生物代謝速度の定量化ー

深化地下生物圈碳循环研究 - 微生物代谢率的量化 -

• 批准号: 22K18427
• 负责人: 風呂田 郷史
• 金额: $ 16.64万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18427/
• 关键词: 地下生命圏; 炭素循環; 生物地球化学; 電気化学; 有機地球化学

生命活動の根幹は「電子の授受」による代謝である。従来の生物学的、分析化学的手法では、生命活動の「静止画」を一時的な物質の存在量から観測することしか出来ておらず、実際の自然環境における生命活動の『速度』を動的に直接捉える方法は皆無である。本研究では、微生物の細胞外電流測定を突破口に、推定すら困難な地下生命圏の微生物代謝速度測定を可能にすることを目指す。当該年度は細胞外電流を高い確度と精度で測定するための電流測定条件の構築と修飾電極の基礎となる各種分子の電極反応技術の構築を試みた。電流測定実験は、野外環境から採取した堆積物のバルク培養を中心に実施した。最適な電流測定の条件検討（電極素材・形状、印加電位など）を現在進行中で進めているところである。微生物の代謝速度（培養系の代謝産物の生成速度）と正の相関関係を示す電流測定に一部成功しており、本研究コンセプトの実現性が培養系によっては高いことを確認できている。電流測定が成功している培養系に関してはゲノム解析も進めており、次年度以降はゲノム技術と融合してさらなる技術発展に挑戦する予定である。修飾電極開発では、修飾剤の候補となる各種分子や酵素を用いた培養実験と電流測定実験や、基礎的な電気化学実験を実施した。一部の修飾電極開発では、微生物の生体分子を直接的に電極反応させることに成功している。次年度以降は、電極への各種分子や酵素の固定方法を検討し、実用可能な電極デザインを目指す予定である。

生命活动的基础是新陈代谢，其中涉及电子的转移。常规的生物和分析化学方法只能基于物质的暂时丰度来观察生命活动的“静止图像”；没有办法直接捕捉它。在本研究中，我们旨在以测量微生物细胞外电流为突破口，使测量难以估计的地下生物圈中微生物的代谢率成为可能。在本财年，我们尝试建立高精度测量细胞外电流的电流测量条件，并建立各种分子的电极反应技术，作为修饰电极的基础。目前的测量实验主要是对从野外环境收集的沉积物进行批量培养。我们目前正在研究电流测量的最佳条件（电极材料/形状、施加的电位等）。我们已经部分成功地测量了与微生物代谢率（培养系统中代谢物的产生率）呈正相关的电流，证实了该研究概念的可行性很高，具体取决于培养系统。我们还正在对当前测量已成功的培养系统进行基因组分析，从明年开始，我们计划将其与基因组技术相结合，以应对进一步技术发展的挑战。在开发修饰电极时，我们使用作为修饰剂候选的各种分子和酶进行了培养实验和电流测量实验，以及基础电化学实验。一些改良电极的开发已成功地直接引起微生物生物分子与电极发生反应。从明年开始，我们计划研究将各种分子和酶固定在电极上的方法，旨在创建实用的电极设计。