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

• 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

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。

这个问题的重点是微生物（大肠杆菌）燃料电池，并正在努力修改大肠杆菌以改善燃料作为葡萄糖时的输出。先前的研究构建了表现出高平均功率的五基因不足菌株（δ5菌株）。该问题通过“使用染色体修饰技术汇总大肠杆菌的有用功能”和“构建简单的催化剂评估系统并筛选使用它的有用突变”来进一步改善。到目前为止，我们已经透露，在磷酸丙酮酸转化为草乙酸的PPPC中，与野生菌株相比，平均产量显着下降，但库仑效率（C效率）显着提高。此外，我们构建了一个δ5+PPC+GALP菌株，将GALP基因与Δ5+PPC菌株的过表达结合在一起，表明平均输出略低于δ5菌株的平均输出，但C效率实际上更高。此外，在催化剂评估系统的构建中，构建了一个系统，该系统基于氧化（红色橙色）和减少（无色）类型的奎因酮化合物HNQ的颜色差异，从而在视觉上评估电子从细胞转移到介体。上述研究在2022年继续进行。在有用功能的聚集中，δ5+PPC（30％）菌株是通过通过启动子中的突变削弱Δ5+PPC菌株的PPPC表达水平来构建和评估的。结果显示与δ5应变的平均功率大致相同，C效率低于δ5+PPC菌株，但高于Δ5菌株。为了增加该菌株中的葡萄糖消耗，构建了新的δ5 + PPC（30％） + GALP + GLK的菌株，结合了GALP和GLK基因的过表达。平均输出与δ5应变的输出大致相同，C效率趋于略有下降。在使用简单评估系统的筛选中，基于野生菌株以新的基础进行了突变处理，并首先使用HNQ的颜色变化作为指标选择了获得的突变菌株，然后进行了发电评估。两种菌株显示平均功率增加，一个菌株的平均功率为野生菌株的1.3倍。

项目成果

微生物を用いた発電および水素生産 担当箇所：中枢代謝経路を改変した大腸菌を触媒として用いた微生物燃料電池

利用微生物发电和制氢 负责：使用经过改良的中央代谢途径的大肠杆菌作为催化剂的微生物燃料电池

• 发表时间: 2021
• 作者: Kawarasaki Yasuaki;Kurose Takeshi;Ohashi Sayaka;Watabe Runa;Tanaka Mizuki;Ito Keisuke;渡辺一哉 他37名
• 通讯作者: 渡辺一哉 他37名

遺伝子改変による大腸菌燃料電池の出力改善と細胞からメディエーターへの電子供与の簡易評価

通过基因改造和简单评估细胞向介体提供的电子来提高大肠杆菌燃料电池的输出

• 发表时间: 2021
• 作者: 河野雄司;菊池亮太;駒大輔;大本貴士;尾島由紘;東雅之
• 通讯作者: 東雅之