報告書番号

V09026

タイトル（和文）

電気を用いた革新的微生物変換技術の開発（その１）-物質生産に向けた大腸菌の電気培養-

タイトル（英文）

Development of novel biorefining technology with electrolysis (part.I) -Electrochemical cultivation of Escherichia coli oriented to a production of valuable compounds-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

資源循環型社会に向けて、微生物を利用した廃棄物からの有用物質生産やエネルギー回収への期待が高まっている。これまでに当所では環境浄化に役立つ微生物を対象として電気を用いて微生物の生育促進を図る電気培養法の開発を行ってきた。この電気培養法を有用物質の増産などに適用できる可能性があるが、その効果は立証されていない。そこで本報告では、遺伝子組換えによる機能付加が容易であるため物質生産に一般的に用いられている大腸菌に対して電気の効果を明らかにすることを目的とした。まず、物質生産に適した電気培養槽を開発し、モデル微生物を用いその有用性を確認した。この開発した電気場用槽を用い通電条件の検討を行った結果、+1.0Vの電位を印加することで生育を約3.6倍促進することができた。さらに本手法を遺伝子組換え大腸菌に適用したところ、生育を2.6倍促進し、菌体あたりの組換え遺伝子由来の産物を4.5倍増産することができた。また、本システムでは炭素源（乳酸）から得られた電子を利用し、対極側で水素生産が可能であった。以上より、本報告では電気により大腸菌の物質生産を促進すると同時に、バイオマスからエネルギーを水素として回収することができる新規培養法の可能性を見出すことができた。

概要 （英文）

A shift from oil refining to biorefining for the production of chemical compounds has been considered to be necessary for construction of a sustainable society. For biorefining, it is important to develop technology by which microorganisms can effectively convert biomass into valuable materials (e.g., ethanol, methane, and biodegradable plastic). Activation of microorganisms for bioprocesses is possible in order to increase the productivity of materials. To date, the electrochemical cultivation system to induce growth and activity of specific microorganisms in natural environments has been developed. To apply this system for biorefinery processes, the effect of electrolysis on microorganisms involved in bioprocesses should be verified. We attempted to develop a novel electrochemical cultivation system to activate the growth of Escherichia coli, the functions of which can be easily modified by genetic transformation for the production of valuable materials. Firstly, a reactor used for electrochemical cultivation was improved in order to facilitate anaerobic bioprocesses of E. coli. Oxidation of nitrite produced during nitrate respiration in E. coli and regeneration of nitrate on a working electrode at 1.0 V (vs Ag/AgCl) increased the growth of E. coli by approximately 3.6 times by using the improved electrochemical reactor. Moreover, growth of the transgenic E. coli was activated and expression of the transgene was increased by approximately 11 times because of the electrochemical oxidation of nitrite. In this electrochemical cultivation system, oxidation of the nitrite accumulated owing to nitrate respiration led to the induction of H2 production on the counter electrode as well as activation of E. coli growth. We proposed the novel electrochemical cultivation system for biorefinery processes, by which increase in the growth of E. coli and in the productivity of the materials can be achieved; further, electrons from the biomass can be recovered and lead to the production of H2 through nitrate respiration and oxidation of nitrite.

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