「電気をつくる微生物が、いま～す！」
なんてことを20年も前に言っていたら、相当な白い目で見られたことでしょう。しかし電気をつくる微生物は（少なくとも私たちのギョーカイでは）今となっては常識的な存在であり、「電気微生物学」なる研究分野まで確立されています。
私たち人間を含むほとんどの生物は有機物を酸化し酸素を還元することで生きるために必要なエネルギーを得ています。この代謝反応、呼吸と呼ばれるものですが、「有機物から高エネルギー電子を取り出し、そのエネルギーを生体エネルギー（ATP）に変換し、不要となった低エネルギー電子を酸素に捨てる反応」と言い換えることができます。電気をつくる微生物とは、酸素のような化学物質の還元反応ではなく、導電性固体にそのまま電子を捨てる能力を持つ微生物のことです（図6-1）。
この電気をつくる微生物、その名の通り、様々な有機物（例えばゴミや廃水に含まれる有機物）を酸化分解し発電を行うことができます。そのため、省エネルギー・創エネルギー型の新しい廃棄物・廃水処理技術への利用が期待されています。その新技術は微生物燃料電池と呼ばれ、現在実用化にかなり近い段階まで研究開発が進んでいます（図6-2）。
私たちは、電気をつくる微生物のモデル生物であるGeobacter属細菌を主な対象として、微生物発電の分子機構解明や、発電効率を向上させる手法の探索などを行っています。またこれまで電気をつくることが知られていなかった微生物について、その隠れた発電能力を見出すような研究や、電気化学を利用した微生物代謝の制御を目指した研究もしています。
研究課題
新たな「電気をつくる微生物」の探索
これまでに知られている電気をつくる微生物は、ほとんどが「電気をつくることのみによって生育に必要なエネルギーを獲得可能」な微生物です。私たちは「電気をつくるだけでは生きられないが、それをプラスアルファのエネルギー源とすることでメリットを得る微生物」に着目し、微生物の隠された「電気をつくる能力」の探索に取り組んでいます。
関連する研究成果
総説論文
- *Kato S. Biotechnological aspects of microbial extracellular electron transfer. Microbes Environ. (2015) 30:133-139. [Pubmed]
- 加藤創一郎. 細胞外電子伝達：固体を呼吸基質とする微生物たち. 微生物生態学会和文誌 (2014) 29:65-75. [PDF]
原著論文
- メタン酸化細菌が細胞外シトクロムを介した細胞外電子伝達能を持つことを初めて実証
Tanaka K, Yokoe S, Igarashi K, Takashino M, Ishikawa M, Hori K, Nakanishi S, *Kato S. Extracellular electron transfer via outer membrane cytochromes in a methanotrophic bacterium Methylococcus capsulatus (Bath). Front. Microbiol. (2018) 9:2905. [Pubmed] - 電気化学手法を用いてシアノバクテリアの概日時計と細胞内レドックスとの関係を解明
Tanaka K, Ishikawa M, Kaneko M, Kamiya K, Kato S, Nakanishi S. The endogenous redox rhythm is controlled by a central circadian oscillator in cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC7942. Photosynth. Res. (2019) 142:203-210. [Pubmed] - 電極電位に応答した電流生成経路・活性の変動パターンはGeobacter属の種間で大きく異なる
*Kato S. Influence of anode potentials on current generation and extracellular electron transfer paths of Geobacter species. Int. J. Mol. Sci. (2017) 18:108. [Pubmed] - 細胞適合性が高い人工電子メディエーターが光合成電子伝達系と電子授受を行うことを実証
Tanaka K, Kaneko M, Ishikawa M, Kato S, Ito H, Kamachi T, Kamiya K, Nakanishi S. Specific interaction between redox phospholipid polymers and plastoquinone in photosynthetic electron transport chain. ChemPhysChem. (2017) 18:878-881. [Pubmed] - 細胞適合性が高い人工電子メディエーターにより生細胞への電子注入を実現
Kaneko M, Ishikawa M, Song J, Kato S, Hashimoto K, Nakanishi S. Cathodic supply of electrons to living microbial cells via cytocompatible redox-active polymers. Electrochem Commun. (2017) 75:17-20. [リンク] - 電流生成菌Geobacterの電極電位依存的代謝変動のメタボローム解析
Song J, Sasaki D, Sasaki K, Kato S, Kondo A, Hashimoto K, Nakanishi S. Comprehensive metabolomic analyses of anode-respiring Geobacter sulfurreducens cells: the impact of anode-respiration activity on intracellular metabolite levels. Process Biochem. (2016) 51:34-38. [リンク] - 人工電子メディエーターを使用しシアノバクテリアの概日リズムの電気化学的検出に成功
Nishio K, Pornpitra T, Izawa S, Nishiwaki-Ohkawa T, Kato S, Hashimoto K, Nakanishi S. Electrochemical detection of circadian redox rhythm in cyanobacterial cells via extracellular electron transfer. Plant Cell Physiol. (2015) 56:1053-1058. [Pubmed] - 人工電子メディエーターを使用しシアノバクテリアの概日リズムの電気化学的制御に成功
Lu Y, Nishio K, Matsuda S, Toshima Y, Ito H, Konno T, Ishihara K, Kato S, Hashimoto K, Nakanishi S. Regulation of the cyanobacterial circadian clock by electrochemically controlled extracellular electron transfer. Angew. Chem. Int. Ed. (2014) 53:2208-2211. [Pubmed] - RalstoniaによるPHB生産の電気化学的制御に成功
Nishio K, Kimoto Y, Song J, Konno T, Ishihara K, Kato S, Hashimoto K, Nakanishi S. Extracellular electron transfer enhances polyhydroxybutyrate productivity in Ralstonia eutropha. Environ. Sci. Technol. Lett. (2014) 1:40-43. [リンク] - 導電性酸化鉄粒子によりGeobacterの電流生成経路・活性が大きく変化することを実証
Kato S, Hashimoto K, Watanabe K. Iron-oxide minerals affect extracellular electron-transfer paths of Geobacter spp. Microbes Environ. (2013) 28:141-148. [Pubmed] - 導電性酸化鉄粒子により土壌由来微生物群集の電流生成活性を大きく向上可能であることを発見
Kato S, Nakamura R, Kai F, Watanabe K, Hashimoto K. Respiratory interactions of soil bacteria with (semi)conductive iron-oxide minerals. Environ. Microbiol.(2010) 12:3114-3123. [Pubmed] - 電流生成菌Geobacterの電流生成特性の電極電位依存性を解明
Matsuda S, Liu H, Kato S, Hashimoto K, Nakanishi S. Negative Faradaic resistance in extracellular electron transfer by anode-respiring Geobacter sulfurreducens cells. Environ. Sci. Technol. (2011) 45:10163-10169. [Pubmed] - 電流生成菌Shewanellaの電極電位依存的な代謝変動を解明
Liu H, Matsuda S, Kato S, Hashimoto K, Nakanishi S. Redox-responsive switching in bacterial respiratory pathway involving extracellular electron transfer. ChemSusChem. (2010) 3:1253-1256. [Pubmed]