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

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。