(57)【要約】【課題】本発明は微生物の代謝を容易に制御することができる微生物代謝制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る微生物代謝制御装置１は、培養液４と、前記培養液４に浸漬されている第一電極２と、前記培養液４に浸漬されている第二電極３と、前記培養液４中に存在する微生物と、前記微生物の代謝に関与する物質と、前記第一電極２の電位を調節する電位調節手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液と、前記培養液に浸漬されている第一電極と、前記培養液に浸漬されている第二電極と、前記培養液中に存在する微生物と、前記微生物の代謝に関与する物質と、前記第一電極の電位を調節する電位調節手段とを備える微生物代謝制御装置。
【請求項２】
前記微生物がロドシュードモナス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）である請求項１に記載の微生物代謝制御装置。
【請求項３】
前記培養液内に存在し、前記第一電極と前記微生物との間の電子移動を媒介するメディエーターを更に備える請求項１又は２に記載の微生物代謝制御装置。
【請求項４】
前記第一電極上に配置されているオスミウム錯体ポリマーを更に備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の微生物代謝制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物の代謝を制御することができる微生物代謝制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境調和型の物質・エネルギー生産プロセスとして、バイオ燃料の製造や光合成による二酸化炭素の固定化など、生きた微生物の代謝を利用する機会は益々増えてきている。
【０００３】
そこで、微生物の代謝を安定して利用するために、微生物の代謝を制御することが要求されるようになってきている。そこで、例えば特許文献１では、微生物細胞を含む培養培地の酸素飽和を調節することで、発酵ブロス中の酸素飽和レベルのレベルを調節し、これにより微生物細胞による酸代謝産物の生成を調節する方法が提案されている。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されているような方法では適用可能な微生物及び代謝の種類が限られてしまい、また代謝を正確に制御することが難しいという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５０５６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、微生物の代謝を容易に制御することができる微生物代謝制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る微生物代謝制御装置は、培養液と、前記培養液に浸漬されている第一電極と、前記培養液に浸漬されている第二電極と、前記培養液中に存在する微生物と、前記微生物の代謝に関与する物質と、前記第一電極の電位を調節する電位調節手段とを備える。
【０００８】
本発明において、前記微生物がロドシュードモナス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）であることが好ましい。
【０００９】
本発明に係る微生物代謝制御装置は、前記培養液内に存在し、前記第一電極と前記微生物との間の電子移動を媒介するメディエーターを更に備えることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る微生物代謝制御装置は、前記第一電極上に配置されているオスミウム錯体ポリマーを更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、微生物の代謝を容易に制御することができる微生物代謝制御装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る微生物代謝制御装置を示す概略図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、微生物と第一電極とが電気的に接続されている状態を示す概念図である。
【図３】実施例において、第一電極の電位を−０．３Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）に調整した場合と、０．５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）に調整した場合とにおける、クロロフィルの吸光測定をおこなった結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施形態による微生物代謝制御装置１は、微生物の代謝の促進、抑制などの制御をするために用いられる。この微生物代謝制御装置１の構成を図１に示す。
【００１４】
この微生物代謝制御装置１は、容器６、培養液４、第一電極２、第二電極３、微生物、微生物の代謝に関与する物質、メディエーター、オスミウム配位ポリマー、並びに電位調節手段を備える。
【００１５】
容器６は培養液４を収容するために用いられる。培養液４を収容可能であれば、適宜の容器６が使用され得る。
【００１６】
培養液４は容器６内に収容されている。培養液４としては微生物の培養のための培地となる水溶液が挙げられる。培養液４の組成は微生物の種類、代謝の種類等に応じて適宜設定されるが、例えば培養液４は、ＫＨ２ＰＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、（ＮＨ４）２ＳＯ４、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、ＮａＣｌ，ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３・５Ｈ２Ｏ等を含有する。また、後述するように培養液４中にメディエーターとしてキノン類が添加される場合には、培養液４へのメディエーターの溶解性を向上するために、培養液４にメタノールが含まれていることが好ましい。培養液４にメタノールが含まれる場合、培養液４中のメタノールの濃度は１〜１０ｇ／Ｌの範囲であることが好ましい。
【００１７】
第一電極２は容器６内の培養液４に浸漬されている。第一電極２の材質としては、特に制限されないが、カーボン、白金等が挙げられる。第二電極３は容器６内の培養液４に浸漬されている。第二電極３の材質としては、特に制限されないが、カーボン、白金等が挙げられる。第一電極２と第二電極３とは、培養液４外において外部配線９を通じて接続されている。尚、必要に応じ、容器６内に隔膜が配置されることで、容器６内が第一電極２が配置されている第一電極室と、第二電極３が配置されている第二電極室とに仕切られてもよい。
【００１８】
実施形態において制御の主たる対象となる代謝は、微生物内の酸化還元雰囲気に依存する代謝である。代謝の種類は、その活性が微生物の体内酸化還元雰囲気に依存する限り特に制限されず、例えば呼吸でも、光合成でも、発酵でもよい。微生物は培養液４中に配置されている。微生物の具体例としては、特に制限されないが、ロドシュードモナス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）、シアノバクテリア、ラレストニア、大腸菌が挙げられる。
【００１９】
微生物の代謝に直接的に関与する物質としては、電子源及び炭素源が挙げられる。これらの物質は培養液４中に存在する。
【００２０】
電子源は微生物の代謝に関与してこの微生物の代謝系に入る電子を放出する物質である。第一電極２がアノードとして機能する場合における電子源としては、微生物の種類及び代謝の種類にもよるが、グルコース、乳酸などの有機物、水素、亜硫酸などが挙げられる。微生物の代謝の過程でこの電子源から微生物体内に電子が注入され、この電子の少なくとも一部が微生物体内の酸化還元反応を介して第一電極２へ移動することで、第一電極２がアノードとして機能する。一方、第一電極２がカソードとして機能する場合は第一電極２が電子源を兼ねる。
【００２１】
炭素源としては、微生物の種類及び代謝の種類にもよるが、グルコース、乳酸などの有機物、培養液４中に溶解している二酸化炭素などが挙げられる。尚、電子源が、同時に炭素源としても機能する物質であってもよい。
【００２２】
微生物は、培養液４内に存在することで第一電極２と電気的に接続されている。「電気的に接続されている」とは、微生物の体内電子移動系と第一電極２との間の電子移動が確保されていることをいう。微生物が第一電極２と接触している場合は、それにより微生物と第一電極２との間の電子移動が確保され、このため両者は電気的に接続されている。微生物が第一電極２とは離れた位置に存在する場合でも、微生物の体内電子移動系と第一電極２との間の電子移動が培養液２中の電解質、メディエータ、オスミウム配位ポリマーなどにより間接的に確保されていれば、微生物と第一電極２とは電気的に接続されている。
【００２３】
図２（ａ）は、微生物５（５１，５２，５３）と第一電極２とが電気的に接続されている状態の例を、概念的に示している。図２（ａ）において、微生物５１は第一電極２と直接接触していることで第一電極２と電気的に接続されている。微生物５２はメディエータにより第一電極２と電気的に接続されている。尚、図２（ａ）（図２（ｂ）においても同様である）中、Ｓｈはシャトル分子（メディエーター分子）を示し、Ｓｈｏｘはシャトル分子の酸化体を、Ｓｈｒｅｄはシャトル分子の還元体を、それぞれ示す。微生物５３は、この微生物５３が有する伝導性微生物ナノワイヤー５０１が第一電極２に接触することにより、第一電極２と電気的に接続されている。尚、伝導性微生物ナノワイヤー５０１とは、微生物５３が備える電気伝導性の毛（鞭毛など）であり、これが電線のように機能して微生物５３の体内電子移動系から電子を取り出し、或いは体内電子移動系へ電子を取り入れることが知られている。
【００２４】
図２（ｂ）も、微生物５（５４，５５，５６）と第一電極２とが電気的に接続されている状態の例を、概念的に示している。この例では、第一電極２の表面上にオスミウム配位ポリマーの層７が形成されている。微生物５４はオスミウム配位ポリマーの層７と接触しており、それにより微生物５４の体内電子移動系と第一電極２との間の電子移動がオスミウム配位ポリマーによって確保され、このため両者は電気的に接続されている。微生物５５は第一電極２とは離れた位置に存在するが、この微生物５５の体内電子移動系とオスミウム配位ポリマーの層７との間の電子移動が培養液２中のメディエータにより間接的に確保されていることで、微生物５５と第一電極２とが電気的に接続されている。微生物５６は、この微生物５３が有する伝導性微生物ナノワイヤー５０１がオスミウム配位ポリマーの層７に接触することにより、第一電極２と電気的に接続されている。
【００２５】
メディエータ及びオスミウム配位ポリマーについて、更に詳しく説明する。
【００２６】
メディエーターは、第一電極２と微生物との間の電子移動を媒介する物質であり、特に培養液４中に分散又は溶解して存在する物質である。メディエーターとしては、特に制限されないが、ＨＮＱ（２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノン）、ビタミンＫ３（２−メチル−１，４−ナフトキノン）などのキノン類から選択される化合物が挙げられる。メディエーターとして一種類の化合物のみが用いられてもよいし、二種類以上の化合物が併用されてもよい。メディエーターとしてＨＮＱとビタミンＫ３が併用される場合、これらの培養液４中での濃度は特に制限されないが、ＨＮＱの濃度が１０μＭ〜１ｍＭの範囲、ビタミンＫ３の濃度が１μＭ〜１００μＭの範囲であることが好ましい。微生物代謝制御装置１がこのようなメディエーターを備えると、第一電極２と、この第一電極２から離れた位置に存在する微生物との間の電気的相互作用が強められ、このため微生物の代謝が更に制御されやすくなる。
【００２７】
オスミウム配位ポリマー（オスミウムポリマー）とは、オスミウム錯体がポリマーに担持されたものであり、オスミウム錯体の酸化還元能に基づく電子伝達メディエーター機能を備えている。オスミウム配位ポリマーの具体例としては、ＰＶＩ１５−ｄｍｅＯｓ(Ohara et al., Analytical Chemistry, 1994, 64: 2451-2457)、ＰＶＰ−［Ｏｓ（Ｎ，Ｎ’−ｄｉａｌｋｙｌａｔｅｄ−２，２’−ｂｉｉｍｉｄａｚｏｌｅ）３］２＋／３＋ａ（Fei Mao et al., J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 4951-4957）、ＰＶＩ−［Ｏｓ（４，４’−ｄｉａｍｉｎｏ−２，２’ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ）２Ｃｌ］＋／２＋（Fei Mao et al., J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 4951-4957）などが挙げられる。オスミウム配位ポリマーは第一電極２の表面上に存在し、このため第一電極２はオスミウム配位ポリマーの層で覆われている。
【００２８】
オスミウム配位ポリマーの酸化還元電位は微生物内のキノンプールの酸化還元電位に近く、このためオスミウム配位ポリマーと微生物のキノンプールとの間では電子が移動し易い。またオスミウム配位ポリマーにおいては、オスミウムに配位している配位子の構造が変えられると、この配位子の電子吸引性が変化し、これによりオスミウム配位ポリマーの酸化還元電位が変動する。このため配位子の構造を適宜選択することでオスミウム配位ポリマーの酸化還元電位を調節することが容易であり、これによりオスミウム配位ポリマーと微生物内のキノンプールとの間で電子が更に移動しやすくすることも容易である。このため、本実施形態のように第一電極２の表面上にオスミウム配位ポリマーが存在すると、第一電極２と微生物との間の電気的相互作用が強められ、このため微生物の代謝が更に制御されやすくなる。
【００２９】
尚、微生物代謝制御装置１はメディエーター及びオスミウム配位ポリマーを備えなくてもよいが、微生物の代謝が容易に制御されるためには微生物代謝制御装置１がメディエーター及びオスミウム配位ポリマーのうち少なくとも一方を備えることが好ましい。微生物代謝制御装置１がメディエーター及びオスミウム配位ポリマーを共に備えるならば更に好ましい。
【００３０】
電位調節手段は、第一電極２の電位を制御する手段である。本実施形態では、微生物代謝制御装置１は電位調節手段としてポテンショスタット１０と、標準電極１１とを備える。標準電極１１としては、特に制限されないが、銀／塩化銀電極が挙げられる。ポテンショスタット１０は、第一電極２が試料電極（作用電極）、第二電極３が対電極、標準電極１１が参照電極となるように機能する。これによりポテンショスタット１０は、標準電極１１に対する第一電極２の電位が設定された値となるように第一電極２の電位を制御する。尚、第一電極２の電位が制御可能であるならば、電位調節手段は本実施形態の構成に限定されない。
【００３１】
以上のように構成される本実施形態に係る微生物代謝制御装置１では、微生物の代謝が生じると、例えば培養液４内の有機物が電子源として機能する場合に、有機物から電子が微生物体内に注入され、代謝の生成物としてＣＯ２などが生じる。有機物から注入された電子の少なくとも一部は微生物から直接又は培養液４内の電解質、メディエーター、オスミウム配位ポリマーなどを介して第一電極２へ移動し、更に外部配線９を通じて第二電極３へ移動する。第二電極３上では例えば１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏという還元反応が起こり、第二電極３から電子が酸素へ移動する。尚、これは第一電極２がアノードとして機能する場合の一例に過ぎず、微生物の代謝が関与した系内の電子の流れの態様はこれに限られない。また第一電極２が電子源として機能する場合、すなわち第一電極２がカソードとして機能する場合でも、微生物の代謝は起こり得る。
【００３２】
このような微生物代謝制御装置１において、電位調節手段により第一電極２の電位が制御されると、それによって微生物の代謝が制御される。すなわち第一電極２の電位が制御されることでこの第一電極２の電位が変化すると、それに伴って微生物の代謝が促進され、或いは抑制される。その理由は、第一電極２の電位が変化すると、メディエーターあるいはオスミウムポリマーの酸化体／還元体比、ひいては微生物体内の酸化還元雰囲気が連動して変化するためであると推察される。このように微生物体内の酸化還元雰囲気が変化すると、この微生物体内の酸化還元雰囲気に依存する代謝が、促進され或いは抑制される。例えばロドシュードモナス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）の光合成は、ロドシュードモナスの細胞内のキノンプールの酸化還元状態が酸化状態側へ傾くと促進され、キノンプールの酸化還元状態が還元状態側へ傾くと抑制されることが知られている。本実施形態では微生物の体内の酸化還元雰囲気を第一電極２の電位によって容易に制御することができ、このため微生物の体内の酸化還元雰囲気に依存する代謝を容易に制御することができるものである。
【００３３】
本実施形態に係る微生物代謝制御装置１において、微生物の数が繁殖により経時的に増大すると、第一電極２と微生物との間の電気的相互作用が変化してしまい、第一電極２の電位が制御されても微生物の代謝が制御されにくくなる。このため、培養液４中での微生物の繁殖が抑制されることが好ましく、このため、Ｙｅａｓｔ  Ｅｘｔｒａｃｔ（酵母エキス）などの微生物の富栄養源は培養液４中に添加されないことが好ましい。
【実施例】
【００３４】
本実施例では、微生物代謝制御装置１を次のようにして構成した。
【００３５】
容器６として、容積４ｍｌのガラス製容器を用意した。また、水にＫＨ２ＰＯ４を０．５ｇ／Ｌの割合、Ｋ２ＨＰＯ４を０．６ｇ／Ｌの割合、（ＮＨ４）２ＳＯ４を１ｇ／Ｌの割合、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏを０．２ｇ／Ｌの割合、ＮａＣｌを０．２ｇ／Ｌの割合、ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏを０．０５ｇ／Ｌの割合、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３・５Ｈ２Ｏを０．１ｇ／Ｌの割合、メタノールを１０ｇ／Ｌの割合で溶解させることで、培養液４を調製した。この培養液４を容器６内に入れた。容器６内の培養液４をＮ２／ＣＯ２の混合ガス（Ｎ２：８０％，ＣＯ２：２０％）でバブリングすることで、培養液４に溶存する酸素を取り除いた。この培養液４にメディエーターとしてＨＮＱ（２−ヒドロキシ−１，４−ナフトキノン）を１ｍＭの濃度、ビタミンＫ３（２−メチル−１，４−ナフトキノン）を１００μＭの濃度となるように、それぞれ添加した。尚、この場合の炭素源は培養液４中に溶解している二酸化炭素であり、電子源は培養液中の水或いはＮａ２Ｓ２Ｏ３である。
【００３６】
第一電極２としては１ｃｍ×１ｃｍの寸法のカーボン板（glassy carbon板）を、第二電極３としては直径０．３μｍ、長さ３ｃｍの白金線を用意した。
【００３７】
オスミウム配位ポリマーを１０ｍｇ／ｍＬの濃度で含有する水溶液を用意した。この水溶液の使用量は、第一電極２の表面積１ｃｍ２あたり１００μＬとした。この水溶液中に第一電極２を浸漬し、その状態で一晩放置することで乾燥した。これにより、第一電極２の表面をオスミウム配位ポリマーで被覆した。
【００３８】
これらの第一電極２及び第二電極３を容器６内の培養液４中に浸漬した。
【００３９】
微生物としてはロドシュードモナス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）を用意し、これを培養液４中に１０−７ｃｅｌｌ／ｍＬの濃度となるように加えた。
【００４０】
電位調節手段としてはポテンショスタット１０と銀／塩化銀電極とを用意した。
【００４１】
この微生物代謝制御装置１において、培養液４に向けてキセノンランプから４００ｎｍ以下の波長域をフィルターでカットした光をエネルギー密度５０ｍＷ／ｃｍ２の条件で照射した。この状態で、電位調節手段により第一電極２の電位を−０．３Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）に調整すると共に、恒温循環槽を用いて培養液４の温度を３０℃に保ち、この状態を３日間維持した。続いて、培養液４を容器６から取り出し、遠心分離によって培養液４から微生物を回収し、更に微生物を水で再懸濁させることで、微生物懸濁液を調整した。続いて、紫外可視分光光度計により微生物懸濁液の吸収スペクトルを測定し、クロロフィルが吸収を持つ８３０ｎｍ、８６０ｎｍの吸収量をもとに、クロロフィルの定量を行った。
【００４２】
また、この微生物代謝制御装置１において、電位調節手段により第一電極２の電位を０．５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）に調整する以外は、上記と同じ試験を行うことで、クロロフィルの定量を行った。
【００４３】
この結果を図３に示す。これによると、第一電極２の電位が−０．３Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）の場合よりも、０．５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）の場合の方が、クロロフィルに起因する吸光ピークが強く観測された。すなわち、第一電極２の電位が−０．３Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）の場合よりも、０．５Ｖの場合の方が、クロロフィルの発現量が多くなることが確認された。微生物におけるクロロフィルムの発現量は微生物の光合成と大きく相関し、クロロフィルが多く発現すると光合成が促進され、クロロフィルの発現が少なくなると光合成が抑制される。このため、本実施例の結果から、第一電極２の電位が調節されることで微生物の光合成が制御され得ることが解る。
【符号の説明】
【００４４】
１    微生物代謝制御装置
２    第一電極
３    第二電極
４    培養液
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013042728.tif 000005