JP5985331B2 - Metabolism control method of hydrogen bacteria - Google Patents

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Description

本発明は、水素細菌の代謝制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、特にハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)に適用して好適な代謝制御方法と、この方法を利用した有用物質の生産方法等に関する。   The present invention relates to a method for controlling metabolism of hydrogen bacteria. More specifically, the present invention relates to a metabolic control method suitable for application particularly to Hydrogenobacter themophilus, a useful substance production method using this method, and the like.

大気中の二酸化炭素等の温室効果ガスの増加は、地球温暖化や気候変動等を引き起こす要因となり得ることから、地球規模の環境問題として重要視されている。例えば、電気事業においては、火力発電所から多量の二酸化炭素が排出される。このような排出二酸化炭素の回収処分方法として、水素細菌を利用した二酸化炭素固定法が知られている(例えば、非特許文献1を参照)。   An increase in greenhouse gases such as carbon dioxide in the atmosphere can be a factor causing global warming, climate change, and the like, and is therefore regarded as an important environmental problem on a global scale. For example, in the electric power business, a large amount of carbon dioxide is emitted from a thermal power plant. As such a method for recovering and disposing of discharged carbon dioxide, a carbon dioxide fixing method using hydrogen bacteria is known (see, for example, Non-Patent Document 1).

水素細菌とは、水素(遊離水素)をエネルギー源とし、二酸化炭素を唯一炭素源として増殖可能な独立栄養生物である。水素細菌は増殖速度(炭酸同化速度)が速いことから、大量の二酸化炭素を固定・資源化する上で非常に有用であると考えられている。   Hydrogen bacteria are autotrophic organisms that can grow using hydrogen (free hydrogen) as an energy source and carbon dioxide as the only carbon source. Since hydrogen bacteria have a high growth rate (carbonic acid assimilation rate), they are considered to be very useful for fixing and recycling a large amount of carbon dioxide.

電力中央研究所報告U92058Central Research Institute of Electric Power Industry report U92058

ところで、水素細菌の有用性をより向上させる上では、水素細菌の代謝を制御して、二酸化炭素固定産物として水素細菌により産生される代謝産物中の有用物質量を増大させることが有効であると考えられる。しかしながら、水素細菌の代謝を制御する方法は未だ確立されていない。   By the way, in order to further improve the usefulness of hydrogen bacteria, it is effective to control the metabolism of hydrogen bacteria and increase the amount of useful substances in the metabolite produced by hydrogen bacteria as a carbon dioxide fixed product. Conceivable. However, a method for controlling the metabolism of hydrogen bacteria has not yet been established.

そこで、本発明は、水素細菌の代謝を制御する方法を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the method of controlling the metabolism of hydrogen bacteria.

また、本発明は、水素細菌の代謝を制御することによって、有用物質を生産する方法を提供することを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a method for producing useful substances by controlling the metabolism of hydrogen bacteria.

さらに、本発明は、水素細菌の代謝を制御することによって、通常よりも有用物質が蓄積されている水素細菌、さらにはこの水素細菌を含む微生物含有組成物を製造する方法を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a hydrogen bacterium in which useful substances are accumulated more than usual by controlling the metabolism of the hydrogen bacterium, and a method for producing a microorganism-containing composition containing the hydrogen bacterium. And

かかる課題を解決するため、本願発明者が鋭意研究を行った結果、ハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)TK−6の細胞内から、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質を介して電子を引き抜きながら培養を行うことによって、通常の培養を行う場合よりもアミノ酸及び脂肪酸の産生を増大させる方向に代謝を制御できることを知見するに至り、さらに種々検討を重ねて本発明を完成するに至った。 In order to solve this problem, the present inventor has conducted extensive research, and as a result, from the cell of Hydrogenobacter themophilus TK-6 via an electronic medium substance that can take both oxidant and reductant forms. completed by performing the cultivation while pulling electrons led to the findings that can control the metabolism in a direction to increase the production of amino acids and fatty acids than when performing normal growth is, the present invention further extensive studies Te It came to do.

即ち、本発明の水素細菌の代謝制御方法は、培地中の水素細菌に対し、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質を介して電子の引き抜きを行いながら、水素と二酸化炭素と水素細菌の最終電子受容体として機能する物質とを与えて培養を行うようにしている。   That is, in the method for controlling metabolism of hydrogen bacteria of the present invention, hydrogen and carbon dioxide are extracted from the hydrogen bacteria in the medium while extracting electrons through an electron medium substance that can take both oxidant and reductant forms. Cultivation is performed by providing a substance that functions as the final electron acceptor of hydrogen bacteria.

ここで、本発明の水素細菌の代謝制御方法において、電子の引き抜き、以下の(1)〜(4)のうちの1以上の方法で実施するようにしている。
(1)水素細菌の細胞表面に電子媒体物質を吸着させると共に培地に電極を接触させて、電極に酸化電位を印加する
(2)培地に電子媒体物質を添加すると共に培地に電極を接触させて、電極に酸化電位を印加する
(3)水素細菌の細胞表面に電子媒体物質を吸着させると共に培地に酸素を持続的に供給する
(4)培地に電子媒体物質を添加すると共に培地に酸素を持続的に供給する
Here, in the method for controlling metabolism of hydrogen bacteria according to the present invention, extraction of electrons is performed by one or more of the following (1) to (4) .
(1) Adsorb the electron medium substance on the cell surface of hydrogen bacteria and bring the electrode into contact with the medium, and apply an oxidation potential to the electrode. (2) Add the electron medium substance to the medium and bring the electrode into contact with the medium. Apply an oxidation potential to the electrode
(3) Adsorbing an electron medium substance on the cell surface of hydrogen bacteria and supplying oxygen continuously to the medium
(4) Adding an electron medium substance to the medium and supplying oxygen continuously to the medium

また、本発明の水素細菌の代謝制御方法において、水素細菌、ハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)としているFurther, in the metabolism control method of the hydrogen bacterium of the present invention, the hydrogen bacterium is hydro Genoa compactors thermophilus (Hydrogenobacter themophilus).

次に、本発明の有用物質の生産方法は、本発明の水素細菌の代謝制御方法を、ハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)を用いて行う工程を含むようにしており、これにより、アミノ酸及び脂肪酸からなる群から選択される1種以上の有用物質を生産することができる。 Next , the method for producing a useful substance of the present invention includes a step of performing the method for controlling metabolism of hydrogen bacteria of the present invention using Hydrogenobacter themophilus, thereby comprising an amino acid and a fatty acid. One or more useful substances selected from the group can be produced.

次に、本発明の製造方法は、本発明の代謝制御方法を行う工程を含む、、通常よりも有用物質が蓄積されているハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)の製造方法であ、通常よりもアミノ酸及び脂肪酸が蓄積されているハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)が得られる。そして、本発明の微生物含有組成物の製造方法においては、このハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)を含む微生物含有組成物を製造するようにしている。 Next, the production method of the present invention includes a step of performing metabolic control method of the present invention, method der Hydro Genova compactors thermophilus are useful substance is accumulated than normal (Hydrogenobacter themophilus) is, from the usual Hydrogenobacter thermophilus (Hydrogenobacter themophilus) in which amino acids and fatty acids are accumulated is also obtained. And in the manufacturing method of the microorganism-containing composition of this invention, it is made to manufacture the microorganism-containing composition containing this Hydrogenobacter thermophilus (Hydrogenobacter themophilus).

本発明の代謝制御方法によれば、ハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)の代謝を制御して、二酸化炭素固定産物としてハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)により産生される代謝産物中の有用物質量を増大させることが可能となる。したがって、本発明の代謝制御方法を利用することで、有用物質をより効率よく生産することが可能となる。また、有用物質を従来よりも多く蓄積させたハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)を提供することが可能となる。 According to the metabolism control method of the present invention, the metabolism of Hydrogenobacter thermophilus (Hydrogenobacter themophilus) is controlled, and the amount of useful substances in the metabolite produced by Hydrogenobacter thermophilus (Hydrogenobacter themophilus) as a carbon dioxide fixed product is reduced. It can be increased. Therefore, it is possible to produce useful substances more efficiently by using the metabolic control method of the present invention. Moreover, it becomes possible to provide Hydrogenobacter themophilus in which useful substances are accumulated more than before .

本発明の水素細菌の代謝制御方法の実施形態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of embodiment of the metabolic control method of hydrogen bacteria of this invention. 本発明の水素細菌の代謝制御方法の実施形態の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of embodiment of the metabolic control method of the hydrogen bacteria of this invention. 電子媒体物質がTK−6の生育に与える影響を検討した結果を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the result of having examined the influence which the electronic medium substance has on the growth of TK-6 (Example 1). TK−6が電子媒体物質を最終電子受容体(呼吸基質)として利用しているか否かを検討した図である(実施例2)。It is the figure which examined whether TK-6 is utilizing the electronic medium substance as a final electron acceptor (respiration substrate) (Example 2). 実施例にて使用した電気培養装置の構成概略図である。It is the structure schematic of the electroculture apparatus used in the Example. 培養試験における電流値の経時変化を示す図である(実施例4)。It is a figure which shows the time-dependent change of the electric current value in a culture test (Example 4). NADとNADHの測定結果を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the measurement result of NAD + and NADH. 図6の通電無しの結果についてNAD/NADHを1とした場合の、通電有りのNAD/NADHの換算結果を示す図である(実施例4)。(Example 4) which is a figure which shows the conversion result of NAD <+ > / NADH with energization when NAD <+ > / NADH is set to 1 about the result without energization of FIG. 培養終了後の菌体密度を示す図である(実施例6)。It is a figure which shows the microbial cell density after completion | finish of culture | cultivation (Example 6). 培養終了後の硝酸濃度を示す図である(実施例6)。It is a figure which shows the nitric acid concentration after completion | finish of culture | cultivation (Example 6). 培養試験における電流値の経時変化を示す図である(実施例6)。It is a figure which shows the time-dependent change of the electric current value in a culture test (Example 6). 通電により増加した各種脂肪酸の化学構造式である(実施例7)。It is a chemical structural formula of various fatty acids increased by energization (Example 7). 本実施例の結果から推定される電子引き抜きによる水素細菌の推定代謝機構である。This is an estimated metabolic mechanism of hydrogen bacteria by electron extraction estimated from the results of this example.

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1Aに、本発明の水素細菌の代謝制御方法の実施形態の一例を概念的に示す。本発明の水素細菌の代謝制御方法は、培地4中の水素細菌2に対し、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質5を介して電子の引き抜きを行いながら、水素(H)と二酸化炭素(CO)と水素細菌の最終電子受容体として機能する物質(例えば、OまたはNO )とを与えて培養を行うようにしている。 In FIG. 1A, an example of embodiment of the metabolic control method of hydrogen bacteria of this invention is shown notionally. The method for controlling the metabolism of hydrogen bacteria according to the present invention allows hydrogen (H 2) to be extracted from the hydrogen bacteria 2 in the medium 4 through the electron medium substance 5 that can take both oxidant and reductant forms. ), Carbon dioxide (CO 2 ), and a substance (for example, O 2 or NO 3 ) that functions as a final electron acceptor of hydrogen bacteria, and culture is performed.

図1Aに示す実施形態において、水素細菌2からの電子の引き抜きは、培地(培養液)4に電極9を接触(浸漬)させて、電極9に酸化電位を印加することにより行うようにしている。電極9に酸化電位を印加することで、水素細菌2に還元された電子媒体物質5が酸化されて、水素細菌2からの電気化学的な電子の引き抜きを持続的に行うことができる。   In the embodiment shown in FIG. 1A, the extraction of electrons from the hydrogen bacterium 2 is performed by contacting (immersing) the electrode 9 with the culture medium (culture medium) 4 and applying an oxidation potential to the electrode 9. . By applying an oxidation potential to the electrode 9, the electron medium material 5 reduced to the hydrogen bacterium 2 is oxidized, and the electrochemical electrons can be continuously extracted from the hydrogen bacterium 2.

ここで、図1Bに示すように、電子媒体物質5は、水素細菌2の細胞表面に吸着させてもよい。この場合、電子媒体物質5を介した水素細菌2からの電子の引き抜きをより効率よく行い得る。   Here, as shown in FIG. 1B, the electronic medium substance 5 may be adsorbed on the cell surface of the hydrogen bacterium 2. In this case, extraction of electrons from the hydrogen bacterium 2 through the electron medium material 5 can be performed more efficiently.

本発明の代謝制御方法を適用する対象となる水素細菌2は、水素(遊離水素)をエネルギー源とし、二酸化炭素を唯一炭素源として増殖可能な独立栄養生物であれば特に限定されるものではない。例示すると、Alcaligenes eutrophus (Cupriavidus necator), Alcaligenes hydrogenophilus, Alcaligenes ruhlandii, Alcaligenes latus, Alcaligenes paradoxus, Aquaspirillum autotrophicum, Azospirillum lipoferum, Calderobacterium hydrogenophilum, Derxia gummosa, Flavobacterium autothermophilum, Hydrogenobacter thermophilus, Microcyclus aquaticus, Microcyclus ebruneus, Paracoccus denitrificans, Pseudomonas facilis, Pseudomonas flava, Pseudomonas pseudoflava, Pseudomonas hydrogenovora, Pseudomonas hydrogenothermophila, Pseudomonas palleronii, Pseudomonas thermophila, Pseudomonas saccharophila, Renobacter vacuolatum, Rhizobium ja ponicuni, Xanthobacter autotrophicus, Xanthobacter flavus, Arthrobacter spp., Bacillus schlegelii, Bacillus tusciae, Mycobacterium gordonae, Nocardia autotrophica, Nocardia opaca, Hydrogenovibrio marinus等が挙げられ、特にHydrogenobacter themophilusが好適である。また、Hydrogenobacter themophilusの中でも、特にHydrogenobacter themophilus TK-6株が好適である。Hydrogenobacter themophilus TK-6株は、増殖速度が速く(1.5時間で2倍に増殖)、二酸化炭素の固定能を有する微生物の中でも最高レベルの増殖速度を有している。また、水素細菌2は、遺伝子組み替えにより新たな物質生産能等が組み込まれたものとしてもよい。   The hydrogen bacterium 2 to which the metabolic control method of the present invention is applied is not particularly limited as long as it is an autotrophic organism that can grow using hydrogen (free hydrogen) as an energy source and carbon dioxide as a sole carbon source. . For example, Alcaligenes eutrophus (Cupriavidus necator), Alcaligenes hydrogenophilus, Alcaligenes ruhlandii, Alcaligenes latus, Alcaligenes paradoxus, Aquaspirillum autotrophicum, Azospirillum lipoferus, Calderobacterium hydrogenophilus, Derxia gummoser, Flavobacterium Hydrogentheractrum facilis, Pseudomonas flava, Pseudomonas pseudoflava, Pseudomonas hydrogenovora, Pseudomonas hydrogenothermophila, Pseudomonas palleronii, Pseudomonas thermophila, Pseudomonas saccharophila, Renobacter vacuolatum, Rhizobium ja ponicuni, Xanthobactertro Examples include autotrophica, Nocardia opaca, Hydrogenovibrio marinus and the like, and particularly, Hydrogenogenacter themophilus is preferable. Among the hydrogenobacter themophilus, the hydrogenobacter themophilus TK-6 strain is particularly suitable. The Hydrogenobacter themophilus TK-6 strain has a high growth rate (double growth in 1.5 hours), and has the highest growth rate among microorganisms capable of fixing carbon dioxide. Further, the hydrogen bacterium 2 may have a new substance-producing ability or the like incorporated by gene recombination.

尚、水素細菌は自然界の至る所から簡単に単離することのできる微生物であり、入手が容易であるという利点もある。   Hydrogen bacteria are microorganisms that can be easily isolated from all over the natural world, and have the advantage of being easily available.

水素細菌2の培養のための培地4は、水素細菌2の培地として一般的なものを、水素細菌2の種類に応じて適宜選択すればよい。また、水素と二酸化炭素の供給量及び培養温度についても、使用する水素細菌2の種類に応じて適宜選択すればよい。   The culture medium 4 for culturing the hydrogen bacterium 2 may be appropriately selected from a general medium for the hydrogen bacterium 2 according to the type of the hydrogen bacterium 2. Moreover, what is necessary is just to select suitably according to the kind of hydrogen bacteria 2 to be used also about the supply amount of hydrogen and carbon dioxide, and culture | cultivation temperature.

水素細菌2の最終電子受容対として機能する物質は、水素細菌2に対する好ましい培養環境の条件(好気であるか嫌気であるか)に応じて適宜選択される。即ち、培養環境を好気条件とする場合には、培地4にバブリング等により供給される酸素とすればよい。培養環境を嫌気条件とする場合には、例えば硝酸イオン等として水素細菌2に硝酸呼吸を行わせればよい。尚、Hydrogenobacter themophilusは、培養環境を好気条件と嫌気条件のいずれとしても、生育・増殖させることが可能である。   The substance that functions as the final electron accepting pair of the hydrogen bacterium 2 is appropriately selected according to the conditions of a preferable culture environment for the hydrogen bacterium 2 (whether it is aerobic or anaerobic). That is, when the culture environment is aerobic, oxygen supplied to the culture medium 4 by bubbling or the like may be used. When the culture environment is anaerobic, for example, nitrate respiration may be performed by hydrogen bacteria 2 as nitrate ions or the like. Hydrogenobacter themophilus can grow and proliferate regardless of whether the culture environment is an aerobic condition or an anaerobic condition.

電子媒体物質5としては、酸化体と還元体の両形態をとり得る物質であり、水素細菌2を失活させることがなく、水素細菌2により還元され得る物質を適宜選択すればよい。例示すると、アントラキノン誘導体(アントラキノン−1−スルホン酸ナトリウム、アントラキノン−1,5−ジスルホン酸ジナトリウム、アントラキノン−1,8−ジスルホン酸ジカリウム、アントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム、1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム及びアントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウム等)及び2−メチル−1,4−ナフトキノン等のキノン化合物、メチルビオロゲン等の農薬系物質、インジゴカルミン、ニュートラルレッド、レマゾールブリリアントブルー、クリスタルバイオレット、2,6−ジクロロフェノール−インドフェノール、アルシアンブルー、サフラニン及びチオニン等の色素系物質、又はヘキサシアノ鉄酸カリウム、鉄イオン錯体(鉄(III)−EDTA等)、Mn(II)Cl、ヨウ化カリウム及びセレン酸等の金属系物質等が挙げられる。 The electronic medium substance 5 is a substance that can take both forms of an oxidant and a reductant, and a substance that can be reduced by the hydrogen bacterium 2 without deactivating the hydrogen bacterium 2 may be appropriately selected. Illustratively, anthraquinone derivatives (sodium anthraquinone-1-sulfonate, disodium anthraquinone-1,5-disulfonate, dipotassium anthraquinone-1,8-disulfonate, sodium anthraquinone-2-sulfonate, 1-amino-4-bromo Anthraquinone-2-sulfonic acid sodium and anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium, etc.) and quinone compounds such as 2-methyl-1,4-naphthoquinone, agricultural chemicals such as methylviologen, indigo carmine, neutral red, rema Zole brilliant blue, crystal violet, 2,6-dichlorophenol-indophenol, alcian blue, safranine, thionine and other pigment materials, or potassium hexacyanoferrate, iron ion complex (iron (II )-EDTA, etc.), Mn (II) Cl 2 , cited metallic materials such as potassium iodide and selenate.

ここで、水素細菌2の細胞表面に電子媒体物質5を吸着させる場合には、電子媒体物質5として、色素系物質の使用が好適である。例えば、水素細菌2をHydrogenobacter themophilusとする場合には、ニュートラルレッドの使用が好適である。但し、水素細菌2の細胞表面に電子媒体物質5を吸着させずとも本発明の効果は得られる。例えば、水素細菌2をHydrogenobacter themophilusとする場合には、アントラキノン誘導体等のキノン化合物も好適に使用し得る。   Here, in the case where the electronic medium material 5 is adsorbed on the cell surface of the hydrogen bacterium 2, it is preferable to use a pigment-based material as the electronic medium material 5. For example, when the hydrogen bacterium 2 is a hydrogenobacter themophilus, the use of neutral red is preferable. However, the effect of the present invention can be obtained without adsorbing the electronic medium substance 5 on the cell surface of the hydrogen bacterium 2. For example, when the hydrogen bacterium 2 is Hydrogenobacter themophilus, a quinone compound such as an anthraquinone derivative can also be preferably used.

電子媒体物質5の添加量は、電子媒体物質5の種類、使用する水素細菌2の種類、菌体密度等に応じてその最適量が適宜変化するが、概ね0.5〜10mM、好適には0.5〜5mM、より好適には0.5〜3mM、さらに好適には2mM程度とすればよい。電子媒体物質5の添加量が少なすぎると水素細菌2からの電子の引き抜きが十分に起こらず、代謝制御効果が得られにくくなる。また、電子媒体物質5の添加量が多すぎると、電子媒体物質5の種類によっては水素細菌2の活性が阻害されることもあり得る。   The optimum amount of the electronic medium substance 5 varies depending on the type of the electronic medium substance 5, the type of the hydrogen bacterium 2 to be used, the cell density, etc., but is generally 0.5 to 10 mM, preferably It may be 0.5 to 5 mM, more preferably 0.5 to 3 mM, and even more preferably about 2 mM. When the addition amount of the electron medium substance 5 is too small, electrons are not sufficiently extracted from the hydrogen bacteria 2 and it becomes difficult to obtain a metabolic control effect. Moreover, when there is too much addition amount of the electronic medium substance 5, depending on the kind of the electronic medium substance 5, the activity of the hydrogen bacteria 2 may be inhibited.

電極9としては、例えば炭素板やグラッシーカーボン等の炭素電極、白金電極等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the electrode 9 include a carbon electrode such as a carbon plate and glassy carbon, a platinum electrode, and the like, but are not limited thereto.

水素細菌2は、酸化型の電子媒体物質5を還元して還元型の電子媒体物質5に変換する(換言すると、酸化型の電子媒体物質5に電子を供給して還元型の電子媒体物質5に変換する)機能を有している。したがって、電極9に酸化電位を印加することで、還元型の電子媒体物質5から電子が引き抜かれて酸化型の電子媒体物質5に変換される。これら一連の流れにより、水素細菌2から電気化学的に電子が持続的に引き抜かれ、水素細菌2の代謝が制御される。   The hydrogen bacterium 2 reduces the oxidized electron medium material 5 to convert it into the reduced electron medium material 5 (in other words, supplies electrons to the oxidized electron medium material 5 to reduce the reduced electron medium material 5. Has a function to convert to Therefore, by applying an oxidation potential to the electrode 9, electrons are extracted from the reduced electron medium material 5 and converted into the oxidized electron medium material 5. By these series of flows, electrons are continuously extracted electrochemically from the hydrogen bacterium 2, and the metabolism of the hydrogen bacterium 2 is controlled.

ここで、電極9に印加する酸化電位の値は、電子媒体物質5のサイクリックボルタモグラムに基づいて求めることができる。例えば、電子媒体物質5としてニュートラルレッドを用いる場合には、電極9に+0.4V程度の電位を印加すればよい。電子媒体物質5としてアントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウムを用いる場合には、電極9に+0.6V程度の電位を印加すればよい。   Here, the value of the oxidation potential applied to the electrode 9 can be obtained based on the cyclic voltammogram of the electronic medium material 5. For example, when neutral red is used as the electronic medium material 5, a potential of about +0.4 V may be applied to the electrode 9. When anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium is used as the electronic medium material 5, a potential of about +0.6 V may be applied to the electrode 9.

本発明の代謝制御方法により水素細菌2の代謝を制御することで、水素細菌2の代謝産物中に含まれる有用物質の割合を増大させることができる。具体的には、水素細菌2をHydrogenobacter themophilusとする場合には、アミノ酸と脂肪酸の生産量を増大させることができる。   By controlling the metabolism of hydrogen bacteria 2 by the metabolic control method of the present invention, the proportion of useful substances contained in the metabolites of hydrogen bacteria 2 can be increased. Specifically, when the hydrogen bacterium 2 is a hydrogenobacter themophilus, the production amounts of amino acids and fatty acids can be increased.

ここで、水素細菌2をHydrogenobacter themophilusとする場合、アミノ酸として特にリシンとアルギニンの量を増大させたい場合には、増殖の定常期又は対数増殖期後期にあるHydrogenobacter themophilusに対して本発明の代謝制御方法を適用するのが好適である。また、電子の引き抜きを行いながら培養する期間については、長すぎると菌数が低下したり、所望の代謝産物量の増大効果が小さくなることもあるので、例えば850分よりも短く、好適には500分以下、より好適には300分以下、さらに好適には150分程度である。   Here, when the hydrogen bacterium 2 is Hydrogenobacter themophilus, when it is desired to increase the amount of lysine and arginine as amino acids, the metabolic control of the present invention is controlled against Hydrogenobacter themophilus in the stationary phase or late logarithmic phase. It is preferred to apply the method. In addition, regarding the period of culturing while extracting electrons, if it is too long, the number of bacteria may decrease or the effect of increasing the amount of desired metabolites may be reduced. For example, it is shorter than 850 minutes, preferably It is 500 minutes or less, more preferably 300 minutes or less, and even more preferably about 150 minutes.

また、水素細菌2をHydrogenobacter themophilusとする場合、脂肪酸として特に炭素数3〜12の直鎖飽和脂肪酸であるプロピオン酸、酪酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクチル酸、ペラルゴン酸、デカン酸、ウンデカン酸及びラウリン酸(この中でも特に炭素数11と12のウンデカン酸及びラウリン酸)の量を増大させたい場合には、増殖期(対数増殖期前、対数増殖期初期あるいは中期、好適には対数増殖期前)にあるHydrogenobacter themophilusに対して本発明の代謝制御方法を適用するのが好適である。電子を引き抜きながら、対数増殖期を得て増殖の定常期に至るまで培養を行うことで、上記直鎖飽和脂肪酸を増大する効果が得られやすくなる。   In addition, when the hydrogen bacterium 2 is made into Hydrogenobacter themophilus, propionic acid, butyric acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octylic acid, pelargonic acid, decanoic acid, undecanoic acid, which are straight chain saturated fatty acids having 3 to 12 carbon atoms, in particular, When it is desired to increase the amount of lauric acid (in particular, undecanoic acid and lauric acid having 11 and 12 carbon atoms), the growth phase (before the logarithmic phase, early or middle of the logarithmic phase, preferably before the logarithmic phase) It is preferable to apply the metabolic control method of the present invention to Hydrogenobacter themophilus. The effect of increasing the linear saturated fatty acid is easily obtained by culturing until the logarithmic growth phase is obtained and the stationary growth phase is reached while extracting electrons.

本発明の代謝制御方法により、水素細菌2の有用物質の生産量を増大させることができる。水素細菌2をHydrogenobacter themophilusとする場合には、アミノ酸と脂肪酸の量を増大させることができる。したがって、本発明の代謝制御方法を利用することで、水素細菌を利用して有用物質を効率よく生産することが可能になる。   By the metabolic control method of the present invention, the production amount of useful substances of hydrogen bacteria 2 can be increased. When hydrogen bacterium 2 is made into Hydrogenobacter themophilus, the amount of amino acids and fatty acids can be increased. Therefore, by using the metabolic control method of the present invention, it becomes possible to efficiently produce useful substances using hydrogen bacteria.

また、本発明の代謝制御方法により、水素細菌2に蓄積される有用物質の量を通常(つまり、水素細菌から電子を引き抜くこと無く通常の培養を行う場合)よりも増大させることができる。即ち、有用物質の蓄積量を通常よりも増大させた水素細菌2が得られる。したがって、この水素細菌2を微生物タンパク資源(SCP)として利用することができる。   In addition, according to the metabolic control method of the present invention, the amount of useful substances accumulated in hydrogen bacteria 2 can be increased more than usual (that is, when normal culture is performed without extracting electrons from hydrogen bacteria). That is, the hydrogen bacterium 2 in which the accumulated amount of useful substances is increased than usual is obtained. Therefore, this hydrogen bacterium 2 can be used as a microbial protein resource (SCP).

また、有用物質の蓄積量を通常よりも増大させた水素細菌2を含む微生物含有組成物を提供することも可能となる。微生物含有組成物としては、例えば家畜飼料が挙げられる。アミノ酸と脂肪酸の蓄積量が通常よりも増大したHydrogenobacter themophilusを含む微生物含有組成物を家畜飼料とすることで、栄養価の高い家畜飼料を提供し得る。その他にも、アミノ酸等の摂取を目的としたサプリメントや食糧等として提供し得る。   It is also possible to provide a microorganism-containing composition containing hydrogen bacteria 2 in which the amount of useful substances accumulated is greater than usual. Examples of the microorganism-containing composition include livestock feed. By using as a livestock feed a microorganism-containing composition containing Hydrogenobacter themophilus in which the accumulation amounts of amino acids and fatty acids are increased more than usual, livestock feed with high nutritional value can be provided. In addition, it can be provided as a supplement or food for the purpose of ingesting amino acids or the like.

上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、電極9を用いて電気化学的に電子媒体物質5を酸化するようにしていたが、電子媒体物質5の酸化は、電気化学的な手法には限定されない。例えば、電気化学的に酸化可能な化合物の大半は酸素によっても酸化可能であることから、培地4中にバブリング等を行って効率的に酸素を供給することによって、電子媒体物質5の酸化することもできる。つまり、培地4中に酸素を持続的に供給することによって、水素細菌2から電子媒体物質5を介して電子を引き抜きながら培養を行い、本発明の代謝制御方法を実施することも可能である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the electronic medium material 5 is oxidized electrochemically using the electrode 9, but the oxidation of the electronic medium material 5 is not limited to an electrochemical method. For example, since most of the electrochemically oxidizable compounds can be oxidized by oxygen, the electronic medium material 5 is oxidized by supplying oxygen efficiently by bubbling or the like in the culture medium 4. You can also. That is, by continuously supplying oxygen into the culture medium 4, it is possible to carry out the culture while extracting electrons from the hydrogen bacteria 2 through the electron medium substance 5, and to carry out the metabolic control method of the present invention.

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

(使用菌体)
東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻応用微生物研究室より分譲を受けたハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)TK−6を水素細菌として用いた。以降の説明では、この水素細菌を単にTK−6と呼ぶこともある。
尚、TK−6は、理化学研究所バイオリソースセンター微生物材料開発室からも入手可能である。
(Used cells)
Hydrogenobacter thermophilus (TK-6) obtained from the Department of Applied Microbiology, Graduate School of Agricultural and Life Sciences, University of Tokyo, was used as a hydrogen bacterium. In the following description, this hydrogen bacterium is sometimes simply referred to as TK-6.
TK-6 can also be obtained from the RIKEN BioResource Center Microbial Materials Development Office.

TK−6の培養に使用した培地の組成を以下に示す。尚、後述する培養試験においても、以下の組成を有する培地を使用した。   The composition of the medium used for the culture of TK-6 is shown below. In the culture test described later, a medium having the following composition was used.

[培地組成(脱イオン水1L中)]
(NHSO 3g
KHPO 1g
HPO 2g
NaCl 0.25g
FeSO・7HO 0.014g
MgSO・7HO 0.5g
CaCl 0.03g
微量元素溶液 500μL
[Medium composition (in 1 L of deionized water)]
(NH 4 ) 2 SO 4 3 g
KH 2 PO 4 1g
K 2 HPO 4 2g
NaCl 0.25g
FeSO 4 · 7H 2 O 0.014g
MgSO 4 · 7H 2 O 0.5g
CaCl 2 0.03 g
Trace element solution 500μL

[微量元素溶液(脱イオン水1L中)]
MoO 4mg
ZnSO・7HO 28mg
CuSO・5HO 2mg
BO 4mg
MnSO・5HO 4mg
CoCl・6HO 4mg
[Trace element solution (in 1 L of deionized water)]
MoO 3 4mg
ZnSO 4 · 7H 2 O 28mg
CuSO 4 · 5H 2 O 2mg
H 3 BO 3 4 mg
MnSO 4 · 5H 2 O 4mg
CoCl 2 · 6H 2 O 4mg

TK−6は、前培養してから後述する培養試験に供した。即ち、上記培地を使用し、嫌気条件下(培養容器であるガラスバイアル瓶内の気相部分のガス組成をH:N:CO=75:10:15(1.5kPa)に制御)にて、70℃で振とう培養してから、後述する培養試験に供した。 TK-6 was subjected to a culture test described below after pre-culture. That is, using the above-mentioned medium, under anaerobic conditions (the gas composition of the gas phase part in the glass vial as a culture container is controlled to H 2 : N 2 : CO 2 = 75: 10: 15 (1.5 kPa)) Then, after culturing with shaking at 70 ° C., it was subjected to a culture test described later.

(実施例1)
電子媒体物質がTK−6の生育に与える影響を検討した。
Example 1
The effect of the electronic medium material on the growth of TK-6 was examined.

100mL容ガラスバイアル瓶(Duran)に収容した10mLの上記培地に、菌体密度が1×10cells/mLとなるようにTK−6を添加した。さらに、上記培地には、NaNOを60mMとなるように添加すると共に、以下の電子媒体物質(酸化体)を2mMとなるように添加した。そして、当該バイアル瓶の気相のガス組成をH:N:CO=75:10:15(1.5kPa)としてバイアル瓶の蓋を閉め、70℃で振とう培養し、バッチ試験を実施した。また、電子媒体物質を添加しない培養試験を対照試験として実施した。 TK-6 was added to 10 mL of the above medium contained in a 100 mL glass vial (Duran) so that the cell density was 1 × 10 7 cells / mL. Further, NaNO 3 was added to the medium so as to be 60 mM, and the following electronic medium substance (oxidized substance) was added so as to be 2 mM. Then, the gas phase gas composition of the vial is H 2 : N 2 : CO 2 = 75: 10: 15 (1.5 kPa), the vial is closed, cultured at 70 ° C. with shaking, and a batch test is performed. Carried out. In addition, a culture test in which no electronic medium substance was added was performed as a control test.

[電子媒体物質]
アントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウム
アントラキノン−1,5−ジスルホン酸ジナトリウム
Fe(III)−EDTA
レマゾールブリリアントブルー
[Electronic material]
Anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium anthraquinone-1,5-disulfonic acid disodium salt Fe (III) -EDTA
Remazol Brilliant Blue

培養60時間後の菌体密度を図2に示す。図2に示される結果から、電子媒体物質の添加によって、TK−6の生育が阻害されることはないことが確認された。   The cell density after 60 hours of culture is shown in FIG. From the results shown in FIG. 2, it was confirmed that the addition of the electronic medium material does not inhibit the growth of TK-6.

また、電子媒体物質としてアントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジカリウムとアントラキノン−1,5−ジスルホン酸ジナトリウムを使用した場合には、TK−6によるこれらの電子媒体物質の還元によって、培地色が無色(透明)から還元色(赤色)に変化することも確認された。   In addition, when anthraquinone-2,6-disulfonate dipotassium and anthraquinone-1,5-disulfonate disodium are used as the electron medium substances, the medium color is colorless due to the reduction of these electron medium substances by TK-6. It was also confirmed that the color changed from (transparent) to a reduced color (red).

(実施例2)
TK−6が電子媒体物質を最終電子受容体(呼吸基質)として利用しているか否かを検討した。
(Example 2)
It was examined whether TK-6 utilizes an electron medium substance as a final electron acceptor (respiratory substrate).

検討条件は、以下の通りとした。
(a)酸素呼吸条件
(b)硝酸呼吸条件
(c)電子媒体物質条件1:アントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウム
(d)電子媒体物質条件2:アントラキノン−1,5−ジスルホン酸ジナトリウム
(e)電子媒体物質条件3:Fe(III)−EDTA
The examination conditions were as follows.
(A) Oxygen breathing condition (b) Nitric acid breathing condition (c) Electron medium material condition 1: Anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium (d) Electron medium material condition 2: Anthraquinone-1,5-disulfonic acid disodium (E) Electronic medium material condition 3: Fe (III) -EDTA

(a)酸素呼吸条件
100mL容ガラスバイアル瓶(Duran)に収容した10mLの培地に、OD540=0.1となるようにTK−6を添加し、当該バイアル瓶の気相のガス組成をH:CO:O=75:15:10(1.5kPa)として、70℃で振とう培養し、バッチ試験を実施した。つまり、この条件においては、最終電子受容体は酸素である。
(A) Oxygen breathing condition TK-6 was added to 10 mL of medium contained in a 100 mL glass vial (Duran) so that OD 540 = 0.1, and the gas phase gas composition of the vial was changed to H. 2 : CO 2 : O 2 = 75: 15: 10 (1.5 kPa) was cultured with shaking at 70 ° C., and a batch test was performed. That is, under this condition, the final electron acceptor is oxygen.

(b)硝酸呼吸条件
100mL容ガラスバイアル瓶(Duran)に収容した10mLの培地に、OD540=0.1となるようにTK−6を添加した。さらに、培地には、NaNOを60mMとなるように添加した。そして、当該バイアル瓶の気相のガス組成をH:CO:N=75:15:10(1.5kPa)としてバイアル瓶の蓋を閉め、70℃で振とう培養し、バッチ試験を実施した。また、電子媒体物質を添加しない培養試験を対照試験として実施した。つまり、この条件においては、最終電子受容体は硝酸である。
(B) Nitric acid respiration conditions TK-6 was added to 10 mL of medium contained in a 100 mL glass vial (Duran) so that OD 540 = 0.1. Further, NaNO 3 was added to the medium so as to be 60 mM. And the gas phase gas composition of the vial is H 2 : CO 2 : N 2 = 75: 15: 10 (1.5 kPa), the lid of the vial is closed, cultured at 70 ° C. with shaking, and a batch test is performed. Carried out. In addition, a culture test in which no electronic medium substance was added was performed as a control test. That is, in this condition, the final electron acceptor is nitric acid.

(c)〜(e)電子媒体物質条件
100mL容ガラスバイアル瓶(Duran)に収容した10mLの培地に、OD540=0.1となるようにTK−6を添加した。さらに、培地には、電子媒体物質を2mMとなるように添加した。そして、当該バイアル瓶の気相のガス組成をH:CO:N=75:15:10(1.5kPa)としてバイアル瓶の蓋を閉め、70℃で振とう培養し、バッチ試験を実施した。
(C) to (e) Electronic medium material conditions TK-6 was added to 10 mL of medium contained in a 100 mL glass vial (Duran) so that OD 540 = 0.1. Furthermore, an electronic medium substance was added to the medium so as to be 2 mM. And the gas phase gas composition of the vial is H 2 : CO 2 : N 2 = 75: 15: 10 (1.5 kPa), the lid of the vial is closed, cultured at 70 ° C. with shaking, and a batch test is performed. Carried out.

培養試験結果を図3に示す。(a)の酸素呼吸条件と(b)の硝酸呼吸条件においては、TK−6の良好な生育が確認された。しかし、(c)〜(e)の電子媒体物質条件では、TK−6が生育しなかった。このことから、TK−6は、上記のような電子媒体物質を最終電子受容体として呼吸することで生育することはできないことが明らかとなった。   The results of the culture test are shown in FIG. Under the oxygen respiration condition (a) and the nitric acid respiration condition (b), good growth of TK-6 was confirmed. However, TK-6 did not grow under the electronic medium material conditions (c) to (e). From this, it has been clarified that TK-6 cannot grow by respiration using the above-mentioned electron medium substance as a final electron acceptor.

ここで、実施例1では、電子媒体物質としてアントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウムとアントラキノン−1,5−ジスルホン酸ジナトリウムを使用した場合に、TK−6によるこれらの電子媒体物質の還元によって、培地色が無色(透明)から還元色(赤色)に変化することが確認された。また、本実施例においてはこれらの電子媒体物質がTK−6の最終電子受容体としては機能していないことが確認された。これらの結果から総合的に判断すると、電子媒体物質を使用することで、TK−6細胞内の代謝過程の電子を、細胞外に引き抜くことができる可能性が示唆された。   Here, in Example 1, when anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium and anthraquinone-1,5-disulfonic acid disodium are used as the electronic medium substances, reduction of these electronic medium substances by TK-6. It was confirmed that the medium color changed from colorless (transparent) to reduced color (red). Further, in this example, it was confirmed that these electronic medium substances did not function as the final electron acceptor of TK-6. Comprehensively judging from these results, it was suggested that by using an electronic medium substance, electrons in metabolic processes in TK-6 cells could be extracted outside the cells.

(実施例3)
TK−6細胞内から細胞外への電子授受を効率的に行う上では、培養液溶解型の電子媒体物質を使用するよりも、細胞吸着型の電子媒体物質の使用が好適であると考えられた。そこで、細胞吸着型の電子媒体物質について検討した。
(Example 3)
In order to efficiently transfer electrons from the inside of the TK-6 cells to the outside of the cells, it is considered that the use of the cell-adsorbing type electron medium material is preferable to the use of the medium-dissolved type electronic medium substance. It was. Therefore, cell adsorption type electronic medium materials were examined.

以下の9種類の電子媒体物質の溶液にTK−6細胞懸濁液を添加し、6時間後に電子媒体物質のTK−6の吸着を評価した。
・フェリシアン化カリウム
・PMS(フェナジンメトサルフェート)
・メチルビオロゲン
・ニュートラルレッド
・Fe(III)−EDTA
・インジゴカルミン
・メチレンブルー
・DCPIP(2,6−ジクロロフェノール−インドフェノール)
・レマゾールブリリアントブルー
TK-6 cell suspension was added to the following nine kinds of electronic medium substance solutions, and the adsorption of TK-6 of the electronic medium substance was evaluated after 6 hours.
-Potassium ferricyanide-PMS (phenazine methosulfate)
・ Methyl viologen ・ Neutral red ・ Fe (III) -EDTA
・ Indigo carmine ・ Methylene blue ・ DCPIP (2,6-dichlorophenol-indophenol)
・ Remazol Brilliant Blue

その結果、ニュートラルレッドについて、溶液のニュートラルレッド濃度が低下する傾向が見られた。このことから、ニュートラルレッドがTK−6に吸着し、TK−6とともに沈降したものと推定された。   As a result, the neutral red concentration of the solution tended to decrease. From this, it was estimated that neutral red was adsorbed on TK-6 and settled together with TK-6.

(実施例4)
ニュートラルレッドを吸着させたTK−6から、ニュートラルレッドを介して電気化学的に電子を引き抜くことによる影響について検討した。換言すると、TK−6細胞内の電子の流れ(酸化還元バランス)を、電気化学的に変化させることによる影響について検討した。
Example 4
The effect of electrochemically extracting electrons from TK-6 adsorbed with neutral red via neutral red was examined. In other words, the influence by electrochemically changing the electron flow (redox balance) in the TK-6 cells was examined.

本実施例においては、ニュートラルレッドを吸着させたTK−6から、ニュートラルレッドを介した電気化学的な電子の引き抜きを行うために(具体的には、水素→TK−6細胞内→ニュートラルレッド→電極の流れで電子を回収)、図4に示す電気培養装置1を使用した。この電気培養装置1は、100mL用ねじ口瓶(Duran)(以下、容器20と呼ぶ)を培養槽とした。容器20には蓋30を取り付けた。蓋30の上面30aにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管を通した際の容器20の密閉性を確保した。   In this example, in order to extract electrochemical electrons via neutral red from TK-6 adsorbed with neutral red (specifically, hydrogen → intra-TK-6 cell → neutral red → Electrons were collected by the flow of the electrodes), and the electroculture apparatus 1 shown in FIG. This electric culture apparatus 1 used a 100 mL screw cap bottle (Duran) (hereinafter referred to as container 20) as a culture tank. A lid 30 was attached to the container 20. A silicone rubber stopper was provided on the upper surface 30a of the lid 30 to ensure the hermeticity of the container 20 when wires, electrodes, and tubes were passed.

対極槽としての小容器21は、イオン交換膜6を成型して袋状(以下、袋21と呼ぶこともある)とした。具体的には、陽イオン交換膜(デュポン製、ナフィオンK)をヒートシーラーで熱圧着により加工し上部はシリコン系接着剤で埋めて密閉した。陰イオン交換膜6の片側面積は10.5cmに相当する。袋21の内部には電解液4aを収容すると共に対電極10を収容して電解液4aに浸した。電解液4aは、使用菌体の欄で説明した上記培地とした。 A small container 21 as a counter electrode tank was formed into a bag shape (hereinafter also referred to as a bag 21) by molding the ion exchange membrane 6. Specifically, a cation exchange membrane (manufactured by DuPont, Nafion K) was processed by thermocompression bonding with a heat sealer, and the upper part was filled with a silicon adhesive and sealed. The area on one side of the anion exchange membrane 6 corresponds to 10.5 cm 2 . The bag 21 contained the electrolyte solution 4a and the counter electrode 10 and was immersed in the electrolyte solution 4a. The electrolyte solution 4a was the above-described medium described in the column of the cells used.

容器20に培養液4(使用菌体の欄で説明した上記培地)を100mL収容し、培養液4に小容器21と作用電極9を浸した。作用電極9と対電極10の配線は、蓋30に設けたシリコーンゴム栓を介して容器20の外側に引き出した。銀・塩化銀参照電極11(RE−1B、BAS株式会社)は蓋30から容器20内に向けて突き刺して培養液4と接触させた。   100 mL of the culture solution 4 (the above-described medium described in the column of cells used) was stored in the container 20, and the small container 21 and the working electrode 9 were immersed in the culture solution 4. The wiring between the working electrode 9 and the counter electrode 10 was drawn to the outside of the container 20 through a silicone rubber stopper provided on the lid 30. The silver / silver chloride reference electrode 11 (RE-1B, BAS Co., Ltd.) was pierced into the container 20 from the lid 30 and brought into contact with the culture solution 4.

培養期間中に容器20内にて発生したガスは、容器20の上部に設置したアルミニウム製サンプリングバッグ40(ジーエルサイエンス製、商品名:アルミニウムバッグ、1L)に回収した。   The gas generated in the container 20 during the culture period was collected in an aluminum sampling bag 40 (trade name: aluminum bag, 1 L, manufactured by GL Science) installed at the upper part of the container 20.

作用電極9と対電極10は共に炭素板とした。作用電極9のサイズは6cm×2.3cmとした。対電極10のサイズは5cm×1cmとした。   Both the working electrode 9 and the counter electrode 10 were carbon plates. The size of the working electrode 9 was 6 cm × 2.3 cm. The size of the counter electrode 10 was 5 cm × 1 cm.

ニュートラルレッドを吸着させたTK−6は、使用菌体の欄で説明した前培養(硝酸呼吸条件下)を行って回収した菌体(対数増殖期後期)を、ニュートラルレッドを2mM含有する溶液に懸濁し、細胞表面にニュートラルレッドを吸着させた後、菌体を培地で洗浄して余剰のニュートラルレッドを洗い流してから培養試験に供した。   TK-6 adsorbed with neutral red is obtained by converting the cells (late logarithm phase) collected by carrying out the pre-culture (under nitrate respiration conditions) described in the column of used cells into a solution containing 2 mM neutral red. After suspending and adsorbing neutral red on the cell surface, the cells were washed with a medium to wash away excess neutral red and then subjected to a culture test.

上記手順によりニュートラルレッドを吸着させたTK−6を、電気培養装置1の容器20内に収容した培養液4に添加し(OD540=2.3)、電流値の経時変化を測定した。尚、本実施例におけるTK−6の添加量は、菌体が増殖しない高菌体密度条件(静止菌条件)である。 TK-6 to which neutral red was adsorbed by the above procedure was added to the culture solution 4 contained in the container 20 of the electric culture apparatus 1 (OD 540 = 2.3), and the change in current value over time was measured. In addition, the addition amount of TK-6 in a present Example is the high microbial cell density conditions (stationary microbe conditions) in which a microbial cell does not propagate.

試験条件は以下の3条件とした。また、容器20の気相部分のガス組成はH:N:CO=75:10:15(1.5kPa)に制御し、培養温度は70℃とした。
(1)ニュートラルレッドを吸着させたTK−6を添加、NaNO添加有り(60mM)
(2)ニュートラルレッドを吸着させたTK−6を添加、NaNO添加無し
(3)菌体添加無し、ニュートラルレッド添加有り(2mM)、NaNO添加無し
The test conditions were the following three conditions. Further, the gas composition in the gas phase portion of the container 20 H 2: N 2: CO 2 = 75: 10: Controls the 15 (1.5 kPa), the culture temperature was 70 ° C..
(1) TK-6 with neutral red adsorbed added, NaNO 3 added (60 mM)
(2) Add TK-6 with neutral red adsorbed, no NaNO 3 added (3) No bacterial cells added, neutral red added (2 mM), NaNO 3 added

作用電極9への印加電位は+0.4Vとした。   The applied potential to the working electrode 9 was + 0.4V.

尚、本実施例、さらには以降の実施例では、電気化学的な酸化の効果を正確に評価するために、電子媒体物質が電極上以外で酸化されたり、酸素が電極上で反応したりすることのない嫌気条件(硝酸呼吸条件)にて試験を実施した。   In this example, and in the following examples, in order to accurately evaluate the effect of electrochemical oxidation, the electron medium substance is oxidized on the electrode other than on the electrode, or oxygen reacts on the electrode. The test was conducted under anaerobic conditions (nitrate respiration conditions).

電流値の経時変化を図5に示す。条件(1)と条件(2)ともに、菌体由来の電流値が200分付近において検出された。また、電流値は、条件(1)<条件(2)であったことから、条件(2)では本来呼吸鎖を介して硝酸に流れるべき電子が、ニュートラルレッドを介して電極に流れたものと推定された。尚、条件(1)において、実験終了後(600分後)には硝酸濃度が37.1mMまで減少していた。   The change with time of the current value is shown in FIG. In both conditions (1) and (2), the current value derived from the bacterial cells was detected in the vicinity of 200 minutes. Moreover, since the current value was such that the condition (1) <the condition (2), in the condition (2), the electrons that should flow to the nitric acid through the respiratory chain originally flowed to the electrode through the neutral red. Estimated. In the condition (1), the nitric acid concentration was reduced to 37.1 mM after the end of the experiment (after 600 minutes).

次に、条件(1)の実験終了後、細胞内代謝において電子授受反応に使用される重要な物質であるNAD(酸化体)とNADH(還元体)の測定を行った。具体的には、実験終了後の培養液を1mL採取した後、遠心分離(15000rpm、4℃、10分)により菌体を回収し、回収した菌体をNAD抽出バッファー(0.5M 過塩素酸)もしくはNADH抽出バッファー(50mM 水酸化ナトリウム、1mM EDTA)に浸漬して、30秒間超音波処理を5回繰り返し行い、代謝産物抽出液を得た。この抽出液について、CycLex NAD/NADH Colorimetric assay kitを用いて、NADとNADHの測定を行った。また、対照試験として、条件(1)を非通電で実施した場合についても同様に試験し、NADとNADHの測定を行った。 Next, after the completion of the experiment under the condition (1), NAD + (oxidized substance) and NADH (reduced substance), which are important substances used for electron transfer reaction in intracellular metabolism, were measured. Specifically, 1 mL of the culture solution after completion of the experiment was collected, and then the cells were collected by centrifugation (15000 rpm, 4 ° C., 10 minutes), and the collected cells were collected using NAD + extraction buffer (0.5 M perchloric acid). ) Or NADH extraction buffer (50 mM sodium hydroxide, 1 mM EDTA), and sonication was repeated 5 times for 30 seconds to obtain a metabolite extract. About this extract, NAD + and NADH were measured using CycLex NAD + / NADH Colorimetric assay kit. In addition, as a control test, the same test was performed when the condition (1) was performed without energization, and NAD + and NADH were measured.

結果を図6に示す。また、通電無しの結果についてNAD/NADHを1とした場合の、通電有りのNAD/NADHの換算結果を図7に示す。図6及び図7に示される結果から、通電を行うことで、酸化体であるNADの割合が増加することが明らかとなった。したがって、細胞から電極への電子の引き抜きを行うことで、代謝における電子授受に関わる重要なNAD(酸化体)/NADH(還元体)の増加が起こることが明らかとなった。また、このことから、TK−6について、電気化学的に代謝を制御できる可能性が示唆された。 The results are shown in FIG. FIG. 7 shows a conversion result of NAD + / NADH with energization when NAD + / NADH is set to 1 for the result without energization. From the results shown in FIG. 6 and FIG. 7, it became clear that the ratio of NAD + that is an oxidant is increased by energization. Therefore, it has been clarified that the extraction of electrons from the cell to the electrode causes an increase in important NAD + (oxidant) / NADH (reductant) related to electron exchange in metabolism. This also suggested the possibility of electrochemically controlling metabolism of TK-6.

(実施例5)
電気培養試験(静止菌試験)を行った後の試料について、メタボローム解析を実施した。
(Example 5)
The metabolome analysis was performed about the sample after performing an electric culture test (stationary bacteria test).

実施例4の条件(1)と同様の条件、及び実施例4の条件(1)を非通電とした条件で培養を行い、培養開始から150分後、850分後にそれぞれ培養液を採取した。採取した培養液に含まれる菌体を吸引ろ過装置を用いて、フィルター(Millipore Isopore Membrane Filter HTTP 0.4 μm pore 47 mm diameter, Millipore)上に回収した。フィルター上に回収した菌体を10 mLのMilliQ水で2回洗浄し、内部標準 (H3304-1002, HMT) を含有するメタノール (LC/MS用, Wako) 2 mLを入れた密閉シャーレにフィルターの菌体付着面を下にしてフィルターをメタノールに浸漬させた。メタノールに浸漬させたフィルターを30秒、超音波処理を行い、代謝産物抽出液を得た。回収した菌数は以下の通りであった。
(a)150分通電 : 6.7×10cells
(b)150分非通電: 6.7×10cells
(c)850分通電 : 3.4×10cells
(d)850分非通電: 5.8×10cells
Culturing was performed under the same conditions as in Example 4 (1) and with the condition (1) in Example 4 de-energized, and the cultures were collected 150 minutes and 850 minutes after the start of culture. The bacterial cells contained in the collected culture solution were collected on a filter (Millipore Isopore Membrane Filter HTTP 0.4 μm pore 47 mm diameter, Millipore) using a suction filtration device. The bacterial cells collected on the filter were washed twice with 10 mL of MilliQ water, and the filter was placed in a sealed petri dish containing 2 mL of methanol (for LC / MS, Wako) containing the internal standard (H3304-1002, HMT). The filter was immersed in methanol with the bacterial cell adhesion side down. A filter immersed in methanol was subjected to ultrasonic treatment for 30 seconds to obtain a metabolite extract. The number of collected bacteria was as follows.
(A) 150 minutes energization: 6.7 × 10 9 cells
(B) 150 minutes de-energization: 6.7 × 10 9 cells
(C) 850 minutes energization: 3.4 × 10 9 cells
(D) No energization for 850 minutes: 5.8 × 10 9 cells

回収した菌体は、1600μLのクロロホルム及び640μLのMilliQ水を加えて撹拌し、遠心分離(2300×g、4℃、5分)を行った。遠心分離後、水層を限外ろ過チューブ(MILLIPORE、ウルトラフリーMC PLHCC HMT 遠心式フィルターユニット 5kDa)に325μL×4本移し取った。これを遠心(9100×g、4℃、120分)し、限外ろ過処理を行った。ろ液を乾固させ、再び50μLのMilli−Q水に溶解し、代謝産物の測定(菌体試料)に供した。   The collected cells were stirred by adding 1600 μL of chloroform and 640 μL of MilliQ water, and centrifuged (2300 × g, 4 ° C., 5 minutes). After centrifugation, 325 μL × 4 aqueous layers were transferred to an ultrafiltration tube (MILLIPORE, Ultra Free MC PLHCC HMT centrifugal filter unit 5 kDa). This was centrifuged (9100 × g, 4 ° C., 120 minutes) and subjected to ultrafiltration treatment. The filtrate was dried and dissolved again in 50 μL of Milli-Q water and used for measurement of metabolites (bacterial cell sample).

また、培養開始から850分後に培養液を40μL回収し、この40μLの試料に対し、内部標準物質の濃度が1000μMとなるように調製した10μLの水溶液を加えて撹拌し、限外ろ過チューブ(MILLIPORE、ウルトラフリーMC PLHCC HMT 遠心式フィルターユニット 5kDa)に325μL×4本移し取った。これを遠心(9100×g、4℃、120分)し、限外ろ過処理を行った。ろ液を乾固させ、再び50μLのMilli−Q水に溶解し、代謝産物の測定(上清試料)に供した。   In addition, 40 μL of the culture solution was collected 850 minutes after the start of the culture, and 10 μL of an aqueous solution prepared so that the concentration of the internal standard substance was 1000 μM was added to the 40 μL sample and stirred, and the ultrafiltration tube (MILLIPORE) was stirred. , 325 μL × 4 pieces were transferred to an ultra-free MC PLHCC HMT centrifugal filter unit (5 kDa). This was centrifuged (9100 × g, 4 ° C., 120 minutes) and subjected to ultrafiltration treatment. The filtrate was dried and dissolved again in 50 μL of Milli-Q water, and used for metabolite measurement (supernatant sample).

代謝産物の分析はCE−TOF MS system(Agilent)を使用し、陽イオン性物質および陰イオン性物質をカチオンモード、アニオンモードでそれぞれ測定した。カチオンモードとアニオンモードの測定条件を以下に示す。   For the analysis of metabolites, CE-TOF MS system (Agilent) was used, and cationic substances and anionic substances were measured in the cation mode and the anion mode, respectively. The measurement conditions for the cation mode and the anion mode are shown below.

[カチオンモードの測定条件]
Run buffer : Cation Buffer Solution (p/n : H3301-1001)
Rinse buffer : Cation Buffer Solution (p/n : H3301-1001)
Sample injection : Pressure injection 50 mbar, 10 sec
CE voltage : Positive, 27 kV
MS ionization : ESI Positive
MS capillary voltage : 4,000 V
MS scan range : m/z 50-1,000
Sheath liquid : HMT Sheath Liquid (p/n : H3301-1020)
[Cation mode measurement conditions]
Run buffer: Cation Buffer Solution (p / n: H3301-1001)
Rinse buffer: Cation Buffer Solution (p / n: H3301-1001)
Sample injection: Pressure injection 50 mbar, 10 sec
CE voltage: Positive, 27 kV
MS ionization: ESI Positive
MS capillary voltage: 4,000 V
MS scan range: m / z 50-1,000
Sheath liquid: HMT Sheath Liquid (p / n: H3301-1020)

[アニオンモードの測定条件]
Run buffer : Anion Buffer Solution (p/n : H3302-1021)
Rinse buffer : Anion Buffer Solution (p/n : H3302-1022)
Sample injection : Pressure injection 50 mbar, 25 sec
CE voltage : Positive, 30 kV
MS ionization : ESI Negative
MS capillary voltage : 3,500 V
MS scan range : m/z 50-1,000
Sheath liquid : HMT Sheath Liquid (p/n : H3301-1020)
[Measurement conditions for anion mode]
Run buffer: Anion Buffer Solution (p / n: H3302-1021)
Rinse buffer: Anion Buffer Solution (p / n: H3302-1022)
Sample injection: Pressure injection 50 mbar, 25 sec
CE voltage: Positive, 30 kV
MS ionization: ESI Negative
MS capillary voltage: 3,500 V
MS scan range: m / z 50-1,000
Sheath liquid: HMT Sheath Liquid (p / n: H3301-1020)

CE−TOF MSで検出されたピークは自動積分ソフトウェアのMasterHands ver.2.9.0.9(慶應義塾大学開発)を用いて自動抽出し、ピーク情報として質量電荷比(m/z)、泳動時間(Migration time:MT)とピーク面積値を得た。得られたピーク面積値は下記の[式1]を用いて相対面積値に変換した(菌体試料については、採取細胞数による補正を行った。つまり、下記の式[1]中の試料数を採取細胞数として計算した。)。また、これらのデータにはNaやKなどのアダクトイオン及び、脱水、脱アンモニウムなどのフラグメントイオンが含まれているので、これらの分子量関連イオンを削除した。しかし、物質特異的なアダクトやフラグメントも存在するため、すべてを精査することはできなかった。精査したピークについて、m/zとMTの値をもとに、各試料間のピークの照合・整列化を行った。
相対面積値=目的ピークの面積値/(内部標準物質の面積値×試料量)・・・[式1]
Peaks detected by CE-TOF MS were automatically integrated with MasterHands ver. The sample was automatically extracted using 2.9.0.9 (developed by Keio University), and mass-to-charge ratio (m / z), migration time (MT) and peak area value were obtained as peak information. The obtained peak area value was converted into a relative area value using the following [Equation 1] (for cell samples, correction was made based on the number of collected cells. That is, the number of samples in the following equation [1]. Was calculated as the number of cells collected.) Moreover, since these data include adduct ions such as Na + and K + and fragment ions such as dehydration and deammonium, these molecular weight related ions were deleted. However, since there were substance-specific adducts and fragments, it was not possible to examine all of them. With respect to the examined peaks, the peaks between the samples were collated and aligned based on the values of m / z and MT.
Relative area value = Area value of target peak / (Area value of internal standard substance × Sample amount) ... [Formula 1]

検出されたピークに対してm/zとMTの値をもとにHMT代謝物質データベースに登録された全物質との照合、検索を行った。検索のための許容誤差はMTで±0.5min、m/zでは±10ppmとした。
質量誤差(ppm)=(実測値−理論値×106)/実測値
The detected peak was collated and searched with all substances registered in the HMT metabolite database based on the values of m / z and MT. The tolerance for the search was ± 0.5 min for MT and ± 10 ppm for m / z.
Mass error (ppm) = (actual value−theoretical value × 106) / actual value

主要代謝産物としてアミノ酸、有機酸、糖リン酸及び核酸を含む108物質について解析を行った。検量線は内部標準物質により補正したピーク面積を用い、各物質について100μMの一点検量(内部標準物質200μM)として濃度を算出した。   108 substances including amino acids, organic acids, sugar phosphates and nucleic acids were analyzed as major metabolites. For the calibration curve, the peak area corrected by the internal standard substance was used, and the concentration was calculated as one inspection quantity of 100 μM (internal standard substance 200 μM) for each substance.

メタボローム解析を行った結果、菌体試料については130ピーク(カチオン42、アニオン88)を検出し、このうち62物質(カチオン28、アニオン34)を定量可能であった。また、上清試料については43ピーク(カチオン25、アニオン18)を検出し、このうち33物質(カチオン24、アニオン9)を定量可能であった。   As a result of the metabolome analysis, 130 peaks (cation 42, anion 88) were detected in the cell sample, and 62 substances (cation 28, anion 34) among them could be quantified. For the supernatant sample, 43 peaks (cation 25, anion 18) were detected, and 33 substances (cation 24, anion 9) among them could be quantified.

菌体試料(150分)について、非通電時よりも通電時の方が増加した代謝産物を表1に示す。   Table 1 shows the metabolites of the bacterial cell sample (150 minutes) that increased with energization than with non-energization.

ピリミジングループでは、CTP(シチジン三リン酸)、CDP(シチジン二リン酸)、CMP(シチジン一リン酸)が増加した。   In the pyrimidine group, CTP (cytidine triphosphate), CDP (cytidine diphosphate), and CMP (cytidine monophosphate) increased.

プリングループでは、Guanine(グアニン)、GMP(グアノシン一リン酸)、GDP(グアノシン二リン酸)、GTP(グアノシン三リン酸)が増加した。   In the purine group, Guanine, GMP (guanosine monophosphate), GDP (guanosine diphosphate), and GTP (guanosine triphosphate) increased.

アミノ酸グループでは、Trp(トリプトファン)、His(ヒスチジン)、Glu(グルタミン酸)、Arg(アルギニン)、Lys(リシン)、Asp(アスパラギン酸)が増加した。   In the amino acid group, Trp (tryptophan), His (histidine), Glu (glutamic acid), Arg (arginine), Lys (lysine), Asp (aspartic acid) increased.

その他、Propionic acid(プロピオン酸)、2−aminoadipic acid(2−アミノアジピン酸)、CoA(補酵素A)が増加した。   In addition, propionic acid (propionic acid), 2-aminodipic acid (2-aminoadipic acid), and CoA (coenzyme A) increased.

次に、菌体試料(850分)について、非通電時よりも通電時の方が増加した代謝産物を表2に示す。   Next, Table 2 shows the metabolites of the bacterial cell sample (850 minutes) that were increased during energization than during non-energization.

ピリミジングループでは、CMP(シチジン一リン酸)、CDP(シチジン二リン酸)、CTP(シチジン三リン酸)、dCMP(デオキシシチジン一リン酸)、dCDP(デオキシシチジン二リン酸)、dCTP(デオキシシチジン三リン酸)、dTMP(チミジン一リン酸)、dTDP(チミジン二リン酸)、dTTP(チミジン三リン酸)、UDP(ウリジン二リン酸)が増加した。   In the pyrimidine group, CMP (cytidine monophosphate), CDP (cytidine diphosphate), CTP (cytidine triphosphate), dCMP (deoxycytidine monophosphate), dCDP (deoxycytidine diphosphate), dCTP (deoxycytidine) Triphosphate), dTMP (thymidine monophosphate), dTDP (thymidine diphosphate), dTTP (thymidine triphosphate), and UDP (uridine diphosphate) increased.

プリングループでは、GMP(グアノシン一リン酸)、GDP(グアノシン二リン酸)、GTP(グアノシン三リン酸)、IMP(イノシン一リン酸)、adenine(アデニン)、ADP(アデノシン二リン酸)、dADP(デオキシアデノシン二リン酸)、dATP(デオキシアデノシン三リン酸)が増加した。   In the purine group, GMP (guanosine monophosphate), GDP (guanosine diphosphate), GTP (guanosine triphosphate), IMP (inosine monophosphate), adenine (adenine), ADP (adenosine diphosphate), dADP (Deoxyadenosine diphosphate) and dATP (deoxyadenosine triphosphate) increased.

アミノ酸グループでは、Lys(リシン)、Arg(アルギニン)、Ala(アラニン)、Trp(トリプトファン)、Tyr(チロシン)、Phe(フェニルアラニン)、Ser(セリン)、Thr(トレオニン)、Gly(グリシン)、His(ヒスチジン)、Pro(プロリン)、Uric acid(尿酸)、Oxoproline(オキソプロリン)が増加した。   In the amino acid group, Lys (lysine), Arg (arginine), Ala (alanine), Trp (tryptophan), Tyr (tyrosine), Phe (phenylalanine), Ser (serine), Thr (threonine), Gly (glycine), His (Histidine), Pro (proline), Uric acid (uric acid), Oxoproline (oxoproline) increased.

TCAサイクルグループでは、Citric acid(クエン酸)、cis−Aconitic acid(シス−アコニット酸)、Succinic acid(コハク酸)が増加した。   In the TCA cycle group, citric acid (citric acid), cis-aconic acid (cis-aconitic acid), and succinic acid (succinic acid) increased.

糖新生グループでは、AcCoA(アセチル補酵素A)、Lactic acid(乳酸)、Glyceric acid(グリセリン酸)、F6P(フルクトース−6−リン酸)が増加した。   In the gluconeogenic group, AcCoA (acetyl coenzyme A), Lactic acid (lactic acid), Glyceric acid (glyceric acid), and F6P (fructose-6-phosphate) increased.

その他、Choline(コリン)、Ethanolamine(エタノールアミン)、Urea(尿素)が増加した。   In addition, Choline (choline), Ethanolamine (ethanolamine), and Urea (urea) increased.

表1及び表2に示される結果から、菌体試料については、通電により、特に、CTP(シチジン三リン酸)、CDP(シチジン二リン酸)、CMP(シチジン一リン酸)、Guanine(グアニン)、GMP(グアノシン一リン酸)、GDP(グアノシン二リン酸)、GTP(グアノシン三リン酸)、Trp(トリプトファン)、His(ヒスチジン)、Arg(アルギニン)、Lys(リシン)の増加量が多くなり、この中でも特に、Arg(アルギニン)、Lys(リシン)の増加量が顕著に多くなることが明らかとなった。   From the results shown in Table 1 and Table 2, with respect to the bacterial cell samples, CTP (cytidine triphosphate), CDP (cytidine diphosphate), CMP (cytidine monophosphate), guanine (guanine), in particular, by energization. , GMP (guanosine monophosphate), GDP (guanosine diphosphate), GTP (guanosine triphosphate), Trp (tryptophan), His (histidine), Arg (arginine), and Lys (lysine) increase. Of these, it has been clarified that the increased amounts of Arg (arginine) and Lys (lysine) are remarkably increased.

表3に、通電による増加量が顕著に多かったArg(アルギニン)、Lys(リシン)について、通電(Electrolysis)と非通電(Control)における濃度の比較データを示す。   Table 3 shows comparison data of concentration between electrification and non-energization (Control) for Arg (arginine) and Lys (lysine), in which the amount of increase by energization was significantly large.

表3に示される結果から判断すると、通電を850分行って菌体を回収するよりも、通電を150分行って菌体を回収した方が、Arg(アルギニン)、Lys(リシン)をより多く回収できると考えられた。   Judging from the results shown in Table 3, a larger amount of Arg (arginine) and Lys (lysine) is obtained when the energization is performed for 150 minutes than when the energization is performed for 850 minutes and the cells are collected. It was thought that it could be recovered.

次に、上清試料について、非通電時よりも通電時の方が増加した代謝産物を表4に示す。   Next, regarding the supernatant sample, the metabolites that increased when energized than when not energized are shown in Table 4.

ピリミジングループでは、UDP(ウリジン二リン酸)、CMP(シチジン一リン酸)、UMP(ウリジン一リン酸)が増加した。   In the pyrimidine group, UDP (uridine diphosphate), CMP (cytidine monophosphate), and UMP (uridine monophosphate) increased.

プリングループでは、GMP(グアノシン一リン酸)、AMP(アデノシン一リン酸)が増加した。   In the purine group, GMP (guanosine monophosphate) and AMP (adenosine monophosphate) increased.

アミノ酸グループでは、Gly(グリシン)、Val(バリン)、Leu(ロイシン)、lle(イソロイシン)、Asn(アスパラギン)、Gln(グルタミン)、His(ヒスチジン)、Tyr(チロシン)、Pro(プロリン)、Phe(フェニルアラニン)、Ser(セリン)、Arg(アルギニン)、Lys(リシン)、5−Oxoproline(5−オキソプロリン)が増加した。   In the amino acid group, Gly (glycine), Val (valine), Leu (leucine), lle (isoleucine), Asn (asparagine), Gln (glutamine), His (histidine), Tyr (tyrosine), Pro (proline), Phe (Phenylalanine), Ser (serine), Arg (arginine), Lys (lysine), 5-Oxoproline (5-oxoproline) increased.

TCAサイクルグループでは、Succinic acid(コハク酸)、Malic acid(リンゴ酸)が増加した。   In the TCA cycle group, succinic acid (succinic acid) and malic acid (malic acid) increased.

脂肪酸グループでは、Butyric acid(酪酸)、Isovaleric acid(イソ吉草酸)、Adipic acid(アジピン酸)、trans−Ferulic acid(トランス−フェルラ酸)、Sebacic acid(セバシン酸)が増加した。   In the fatty acid group, butyric acid (butyric acid), isovaleric acid (isovaleric acid), adipic acid (adipic acid), trans-ferulic acid (trans-ferulic acid), and sebacic acid (sebacic acid) increased.

(実施例6)
実施例4では高菌体密度条件(静止菌条件)にて培養試験を実施したが、本実施例では増殖条件で実施例4と類似の培養試験を実施し、代謝の制御性について検討した。
(Example 6)
In Example 4, a culture test was carried out under high cell density conditions (stationary bacteria conditions). In this example, a culture test similar to that in Example 4 was carried out under growth conditions to examine the controllability of metabolism.

具体的には、TK−6にニュートラルレッドを吸着させることなく、電子媒体物質としてアントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウムを培養液4に溶解させ(2mM)、作用電極9の印加電位を+0.6Vとし、初期菌体密度を1.0×10cells/mLとした以外は、実施例4の条件(1)と同様の条件で培養試験を実施した。また、同様の培養試験を非通電で実施した。 Specifically, anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium is dissolved in the culture solution 4 (2 mM) as an electron medium material without adsorbing neutral red on TK-6, and the applied potential of the working electrode 9 is +0. The culture test was performed under the same conditions as the condition (1) of Example 4 except that the initial cell density was 1.0 × 10 7 cells / mL. In addition, the same culture test was conducted with no current applied.

培養試験終了後の菌体密度を図8に示し、培養液の硝酸濃度を図9に示す。通電を行うことで、培養終了後の菌体密度が増加し、それに対応して硝酸濃度が減少していることが明らかとなった。   The cell density after completion of the culture test is shown in FIG. 8, and the nitric acid concentration of the culture solution is shown in FIG. It was clarified that the energization increased the cell density after completion of the culture, and the nitric acid concentration correspondingly decreased.

次に、通電条件において、菌体の有無による電流値の経時変化について検討した結果を図10に示す。菌体有りの場合には、菌体の増殖に伴った電流値の増加が見られた。したがって、菌体の増殖に伴って、アントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウムを介した電流が検出されることが明らかとなった。   Next, FIG. 10 shows the results of examining the temporal change of the current value depending on the presence or absence of bacterial cells under energization conditions. When cells were present, the current value increased with the growth of the cells. Therefore, it became clear that the electric current through anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium was detected with the proliferation of a microbial cell.

(実施例7)
電気培養試験(増殖条件)を行った後の試料について、メタボローム解析を実施した。
(Example 7)
Metabolome analysis was performed on the sample after the electroculture test (growth conditions).

実施例6と同様の条件で培養試験を行い、電流値の増加が観察される培養開始から3000分経過後に菌体を回収した。回収した菌数は以下の通りであった。
(a)通電 : 5.0×10cells
(b)非通電: 2.8×10cells
A culture test was performed under the same conditions as in Example 6, and the cells were collected after 3000 minutes from the start of the culture in which an increase in current value was observed. The number of collected bacteria was as follows.
(A) Energization: 5.0 × 10 9 cells
(B) Non-energization: 2.8 × 10 9 cells

尚、菌体回収方法、メタボローム解析条件は、実施例5と同様とした。   The bacterial cell collection method and metabolomic analysis conditions were the same as in Example 5.

メタボローム解析を行った結果、96ピークを検出し、通電により増加した代謝物質は30物質であった。通電により増加したアミノ酸グループ及びアミノ酸生合成グループの代謝産物を表5に示し、通電により増加した直鎖飽和脂肪酸グループ等の代謝産物を表6に示す。また、図11に、通電により増加した各種脂肪酸の化学構造式を示す。   As a result of the metabolomic analysis, 96 peaks were detected, and 30 metabolites were increased by energization. Metabolites of amino acid groups and amino acid biosynthesis groups increased by energization are shown in Table 5, and metabolites such as linear saturated fatty acid groups increased by energization are shown in Table 6. FIG. 11 shows chemical structural formulas of various fatty acids increased by energization.

アミノ酸グループでは、Gln(グルタミン)、Val(バリン)、Glu(グルタミン酸)、Pro(プロリン)、lle(イソロイシン)、Asp(アスパラギン酸)、Ala(アラニン)、Tyr(チロシン)、Leu(ロイシン)が増加した。   In the amino acid group, Gln (glutamine), Val (valine), Glu (glutamic acid), Pro (proline), lle (isoleucine), Asp (aspartic acid), Ala (alanine), Tyr (tyrosine), Leu (leucine) Increased.

アミノ酸生合成グループでは、Betaine(ベタイン)、2,6−diaminopimelic acid(2,6−ジアミノピメリン酸)、2−Aminoadipic acid(2−アミノアジピン酸)、2−Hydroxyisobutyric acid(2−ヒドロキシイソ酪酸)、Glycerol 3−phosphate(グリセロール 3−リン酸)が増加した。   In the amino acid biosynthesis group, betaine (betaine), 2,6-diaminopimeric acid (2,6-diaminopimelic acid), 2-aminodipic acid (2-aminoadipic acid), 2-hydroxyisobutyric acid (2-hydroxyisobutyric acid), Glycerol 3-phosphate (glycerol 3-phosphate) increased.

直鎖飽和脂肪酸グループでは、Undecanoic acid(ウンデカン酸)、Lauric acid(ラウリン酸)、Decanoic acid(デカン酸)、Butyric acid(酪酸)、Octanoic acid(オクチル酸)、Propionic acid(プロピオン酸)、Pelargonic acid(ペラルゴン酸)、Heptanoic acid(ヘプタン酸)、Hexanoic acid(ヘキサン酸)が増加した。   In the linear saturated fatty acid group, undecanoic acid (undecanoic acid), Lauric acid (lauric acid), Decanoic acid (decanoic acid), butyric acid (butyric acid), octanic acid (octylic acid), propionic acid (propionic acid), pelic acid (Pelargonic acid), Heptanoic acid (heptanoic acid), Hexanoic acid (hexanoic acid) increased.

その他、Isovaleric acid(イソ吉草酸)、Tiglic acid(チグリン酸)が増加した。   In addition, Isovaleric acid (isovaleric acid) and Tiglycic acid (tiglic acid) increased.

以上の結果から、増殖条件においても、静止菌条件と同様に、通電によってアミノ酸の量が増加することが明らかとなった。また、増殖条件においては、炭素数3〜12の直鎖飽和脂肪酸量が増加していることが特徴的であった。特に、鎖長が長い炭素数11、12の直鎖飽和脂肪酸(ウンデカン酸、ラウリン酸)の増加効果が大きいことが明らかとなった。   From the above results, it was clarified that the amount of amino acid was increased by energization in the growth condition as well as in the stationary bacteria condition. In addition, the growth conditions were characterized by an increase in the amount of linear saturated fatty acids having 3 to 12 carbon atoms. In particular, it has been clarified that the effect of increasing the straight chain saturated fatty acids (undecanoic acid and lauric acid) having a long chain length of 11 and 12 carbon atoms is large.

(まとめ)
本実施例の結果から推定される水素細菌の代謝機構を図12に示す。電気化学的に電子を引き抜くことで、電子媒体物質の還元体(NRred(ニュートラルレッドの還元体)又は2,6−AQDSred(アントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウムの還元体))が、電子媒体物質の酸化体(NRox(ニュートラルレッドの酸化体)又は2,6−AQDSox(アントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジカリウムの酸化体))に酸化される。水素細菌細胞内では、水素由来の電子によってNADがNADHに還元されるが、電極による電子媒体物質を介した電子の引き抜きによって、NADHがNADに酸化される反応が支配的となり、NADHに対するNADの量が増加する。つまり、水素細菌細胞内の酸化還元バランスが酸化にシフトし、アミノ酸及び脂肪酸の生産性が向上するものと推定される。水素細菌は非常に増殖速度の速い生物であり、固定した二酸化炭素は効率的に自らの細胞を構築することに利用される。そのため、通常の培養条件では細胞内に有用物質の有意な蓄積はほとんどないと考えられる。これに対し、本発明によれば、代謝を制御することで、アミノ酸、脂肪酸を有意に蓄積することができる。有用物質を細胞内に有意に蓄積できる点で、通常の培養方法と比較して極めて優れた手法であると言える。
(Summary)
The metabolic mechanism of hydrogen bacteria estimated from the results of this example is shown in FIG. By extracting electrons electrochemically, a reduced form of the electron medium material (NR red (reduced form of neutral red) or 2,6-AQDS red (reduced form of anthraquinone-2,6-disulphonic acid disodium salt)) And oxidized to an oxidant (NR ox (neutral red oxidant) or 2,6-AQDS ox (anthraquinone-2,6-dipotassium oxidant)). In hydrogen bacteria cells, NAD + is reduced to NADH by electrons derived from hydrogen, but the reaction of NADH being oxidized to NAD + by the extraction of electrons through the electron medium material by the electrode becomes dominant, and it is against NADH. The amount of NAD + increases. That is, it is presumed that the redox balance in hydrogen bacteria cells shifts to oxidation, and the productivity of amino acids and fatty acids is improved. Hydrogen bacteria are very fast growing organisms, and the fixed carbon dioxide is used to efficiently build their own cells. For this reason, it is considered that there is almost no significant accumulation of useful substances in the cells under normal culture conditions. On the other hand, according to the present invention, amino acids and fatty acids can be significantly accumulated by controlling metabolism. It can be said that this is an extremely superior technique compared to a normal culture method in that useful substances can be significantly accumulated in cells.

2 水素細菌
4 培地
5 電子媒体物質
9 電極
2 Hydrogen bacteria 4 Medium 5 Electron medium material 9 Electrode

Claims (4)

培地中の水素細菌に対し、酸化体と還元体の両形態をとり得る電子媒体物質を介して電子の引き抜きを行いながら、水素と二酸化炭素と前記水素細菌の最終電子受容体として機能する物質とを与えて培養を行い、
前記電子の引き抜きを、以下の(1)〜(4)のうちの1以上の方法で実施し、
(1)前記水素細菌の細胞表面に前記電子媒体物質を吸着させると共に前記培地に電極を接触させて前記電極に酸化電位を印加する
(2)前記培地に前記電子媒体物質を添加すると共に前記培地に電極を接触させて、前記電極に酸化電位を印加する
(3)前記水素細菌の細胞表面に前記電子媒体物質を吸着させると共に前記培地に酸素を持続的に供給する
(4)前記培地に前記電子媒体物質を添加すると共に前記培地に酸素を持続的に供給する
前記水素細菌を、ハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)とすることを特徴とする水素細菌の代謝制御方法。
A substance that functions as a final electron acceptor of hydrogen bacterium, carbon dioxide, and hydrogen bacterium, while extracting electrons through an electron medium substance that can take both oxidant and reductant forms for hydrogen bacteria in the medium; There line of the culture giving,
The extraction of the electrons is performed by one or more of the following (1) to (4):
(1) Adsorbing the electron medium substance on the cell surface of the hydrogen bacterium and bringing the electrode into contact with the medium to apply an oxidation potential to the electrode
(2) Adding the electron medium substance to the medium and bringing an electrode into contact with the medium and applying an oxidation potential to the electrode
(3) The electron medium substance is adsorbed on the cell surface of the hydrogen bacterium and oxygen is continuously supplied to the medium.
(4) Adding the electron medium substance to the medium and continuously supplying oxygen to the medium
A method for controlling metabolism of hydrogen bacteria, characterized in that the hydrogen bacteria are Hydrogenogenacter themophilus .
請求項に記載の代謝制御方法を行う工程を含む、アミノ酸及び脂肪酸からなる群から選択される1種以上の有用物質の生産方法。 A method for producing one or more useful substances selected from the group consisting of amino acids and fatty acids, comprising a step of performing the metabolic control method according to claim 1 . 請求項に記載の代謝制御方法を行う工程を含む、通常よりもアミノ酸及び脂肪酸が蓄積されているハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)を製造する方法 A method for producing Hydrogenobacter themophilus in which amino acids and fatty acids are accumulated more than usual , comprising a step of performing the metabolic control method according to claim 1 . 請求項に記載のハイドロジェノバクター サーモフィラス(Hydrogenobacter themophilus)を含む微生物含有組成物を製造する方法 A method for producing a microorganism-containing composition comprising Hydrogenobacter themophilus according to claim 3 .
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