報告書番号

V11047

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３）-還元力の供給によるブタノール増産とそのメカニズム-

タイトル（英文）

Development of novel biorefining technology with electrolysis (PartIII) -Enhancement of butanol production by supply of reducing power-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

次世代バイオ燃料として注目されているブタノールの微生物による生産プロセスはその生産性の低さが問題となっている。その、生産性の低さはブタノール生産に必要とされる還元力(NADH)不足に起因する。そこで、本報告では電気培養法をブタノール生産菌Clostridium acetobutylicumに適用し、電気化学的に還元力（電子）を細胞に供給することでブタノール生産を促進する新規代謝制御手法の立証とそのメカニズム解明を目的とした。培養に際して還元電位(-0.7V)を印加し、メチルビオロゲンを介してC. acetobutylicum に対して電子を供給することを試みたところ、ブタノール生産収率は向上したが、基質であるグルコースの分解は抑制された。そこで、通電手法を検討した結果、グルコース消費中期に10分間通電することでグルコース消費の抑制を回避しつつ、ブタノール生産量および収率を非通電時の約2倍に向上させることが可能となった。10分という短期間の通電により代謝を制御し、ブタノール生産を向上させることができる手法を確立した。このブタノール生産性向上のメカニズム解明のために、メタボローム解析を行ったところ、通電により細胞内還元力(NADH)が増加し、それらを使用する反応が活性化する一方で、細胞構成成分の合成経路が抑制されることで細胞内炭素・エネルギー資源がブタノール生産に効率的に使用できるように代謝が切り替わっていることが明らかとなった。以上、わずかな電気エネルギー投入によりブタノール生産微生物の代謝を制御し、ブタノール生産性を向上する新規代謝制御法を見出した。

概要 （英文）

For construction of the sustainable society, it is important to develop technology by which microorganisms can effectively convert biomass into biofuels and valuable materials (e.g., ethanol, butanol, and methane). To date, the electrochemical cultivation system to increase growth and activity of specific microorganisms in natural environments has been developed. We attempted to supply a reducing equivalent by the electrochemical cultivation to butanol producing bacterium, Clostridium acetobutylicum. An electron as reducing power was supplied to C. acetobutylicum by electrolysis from a working electrode at -0.7V (Ag/AgCl). Addition of electron to cell inhibited glucose consumption and increased butanol production. By a reduction of electrolysis time for 10 min at mid-phase, avoidance the inhibition of glucose consumption and increase of butanol production by two times was established. Moreover, we compared the metabolome between cultivated cells with electrolysis and that without electrolysis. By electrolysis, NADH as major reducing equivalent in cell was increased and reactions using NADH were activated including butanol, ethanol and lactate production. On the contrary, components of cell such as amino acids and nucleotides were decreased. We proposed the novel electrochemical cultivation system for biorefinery processes, by which modify the metabolic flux and increase butanol production by Clostridium acetobutylicum.

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