倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2019 年度（第 51 回）助成■受領№1396

無機半導体光触媒反応と生体触媒反応とを組み合わせた光バイオ水素生産系の構築

代表研究者

本田 裕樹

奈良女子大学

研究院自然科学系

化学領域

1．研究目的
水素は次世代のエネルギーキャリアとして注目されており、今後の水素の需要はますます高まる

助教の評価、およびこれを通して得られた CdS を形成しかつ水素生成能を付与した大腸菌（CdS-大腸菌）による光駆動水素生産、の 3 点である。と予想される。一方、現在の工業的な水素生産は大部分が化石燃料の使用に依存し、水素エネルギー社会の実現に向け、自然エネルギーとくに無尽蔵の太陽光エネルギーを利用したクリーンな水素生産システムの構築に期待が寄せられる。なかでも光触媒を用いた水の分解反応は理想的な水素生産法と考えられ、実用化に耐えうる高効率な光触媒の研究が広く進められている。
こうした背景のもと本研究では、無機半導体光触媒による光エネルギー変換に、酵素や微生物といった生体触媒による水素生成反応を組み合わせた無機-バイオハイブリッド系による新規な光バ

図 1. 本研究で目指した無機-バイオハイブリッドイオ生産システムの構築を目指した。とくに、微系による水素生産（3. 発表論文内の図を加工）

生物に備わる能力によって形成される金属硫化物
半導体［具体的には、可視光応答型光触媒として2．研究内容知られる硫化カドミウム（CdS）］を用いた光エネ

2.1

大腸菌による CdS 形成能の評価

ルギー変換を利用する反応系の構築について検討

微生物は、Cd2+といった重金属イオンの毒性回した。生体で形成した CdS の光触媒能を、同じ微避のため、システイン存在下で酵素反応により生生物細胞内に遺伝子工学的に付与した高活性な水じる硫化物イオンを用いて金属硫化物を形成する。

素生成能（具体的には、[FeFe]-ヒドロゲナーゼ遺

この金属硫化物形成能によって形成されたCdSを伝子を高発現する組換え大腸菌を用いる）と共役光触媒として利用する。大腸菌によるCdSの形成させることで光駆動水素生産系を構築しうると考条件を検討し、形成されたCdSの物性を評価した。

えた（図 1）。検討内容は、大腸菌による CdS 形成供試菌にはクロストリジウム属由来[FeFe]-ヒド能の評価、CdS 形成後の大腸菌での水素生成活性

ロゲナーゼ遺伝子を挿入したプラスミドを保持す倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2019 年度（第 51 回）助成る大腸菌を用いた。当該大腸菌を定法に従い培養

ドロゲナーゼ合成が同じ大腸菌のなかで両立でき後、菌体をリン酸緩衝生理食塩水（PBS）に懸濁る条件を見出した。ヒドロゲナーゼの合成はし、CdCl2とシステインを添加してCdS形成を試みSDS-PAGEと、還元型メチルビオローゲン（MV）た。菌体懸濁液を遠⼼分離すると、⻩⾊の菌体ペを用いた水素生成によって検討した（図3）。CdSレットとして回収された。回収した菌体を凍結乾形成後にも問題なく大腸菌へ水素生成能を付与で燥し、得られた粉末に対してX線回折（XRD）、走き［湿菌体重量（mg）当たり0.7μmol-H2/min］、

査型電子顕微鏡観察（SEM）、エネルギー分散型Xその後の光駆動水素生産へ適用した。

線分析（EDX）、および拡散反射スペクトルの解析により、CdSであることが確認できた（図2）。測定結果は、大腸菌においてCdSが形成され、そのバンドギャップは2.5-2.6 eV、ナノオーダーの粒子径であることを示した。以上より、実験に使用する組換え大腸菌でのCdS形成に成功した。

図 3. CdS を形成した大腸菌での[FeFe]-ヒドロゲナーゼの合成
A、SDS-PAGE（E. coli (Hyd+), ヒドロゲナーゼ遺伝子導入株; E. coli (Hyd-), 遺伝子非導入株）
B、各 pH での活性測定の結果（反応液 2 ml: 100 mM
BisTris, 5 mM MV, 25 mM 亜ジチオン酸 Na,
湿菌体 0.01 g, 37℃）
（3. 発表論文内の図を加工）

2.3 CdS 形成しかつ水素生成能を付与した大腸菌による光駆動水素生産図 2. 大腸菌で形成された CdS の物性評価

ここまでに水素生成活性を示すCdS-大腸菌をA, 得られた粉末写真; B, 拡散反射スペクトル; C,得た。当該CdS-大腸菌を光触媒とした光水素生産

Tauc プロット; D, XRD（対照には JCPDS no.

を試みた。電子供与試薬としてBisTris、光触媒と00-041-1049）; E, 粉末の SEM 像; F, 粉末の EDX

してCdS-大腸菌、電子メディエーターとしてMVによる元素マッピング（3. 発表論文内の図を加工）を含む反応溶液を調製し、ソーラーシミュレーターを光源として光照射依存的な水素生産を試みた。

2.2 CdS 形成後の大腸菌での水素生成活性の評価

ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ 遺 伝 子 を 導 入 し た CdS- 大 腸 菌

CdSを生成した大腸菌（CdS-大腸菌）を回収し［CdS-E. coli (Hyd+)］を用いた場合に光照射依存た後、遺伝子発現を誘導し、[FeFe]-ヒドロゲナー的な水素生産が確認された。一方、対照として、ゼを細胞内で合成させ、水素生成活性を評価した。

遺伝子導入をしていないCdS-大腸菌［CdS-E. coli

種々の検討の結果、CdS形成と遺伝子工学的なヒ(Hyd-)］やCdSを形成していない大腸菌［E. coli

倉田奨励金研究報告書 第 50 集｜2019 年度（第 51 回）助成(Hyd+)］、暗条件からは水素生成は確認できなかある。図4に示した光水素生産を見ると、化学的にった（図4）。また、CdS-E. coli (Hyd+)による光還元したMVを用いて測定した菌体の水素生成比

水素生産の波⻑依存性は図2Bに示したCdSの拡散活性と比較して、光水素生産速度は著しく低い。

反射スペクトルと一致しており、各波⻑での水素そこで現在は、CdSによる光エネルギー変換に焦生産の見かけの量子収率（AQY）は、AQY350=0.11%、点をあて、大腸菌によって形成するCdSの量や質AQY420=0.10%、AQY470=0.04%と算出された。以を改善し、反応系全体の光水素生産効率の向上を上より、大腸菌によって形成されたCdSへの光照目指している。今後も、無機触媒の高安定で高効射で生じる励起電子をヒドロゲナーゼに伝達して率な光エネルギー変換と、生体触媒の高効率かつ水素生産を実現するという、当初の想定通りの反高選択的な物質変換の両者の特⻑を組み合わせた応系を実現することができた。

無機-ハイブリッド反応系に関する知見をさらに深めるべく研究を遂行する考えである。

３．発表（研究成果の発表）
Yuki Honda*, Yuka Shinohara, Motonori Watanabe,
Tatsumi Ishihara, Hiroshi Fujii, Photo-biohydrogenproduction by photosensitization with biologicallyprecipitated cadmium sulfide in hydrogen-forming
recombinant Escherichia coli. ChemBioChem, 21,3389-3397 (2020).

図4. CdS-大腸菌による光水素生産反応溶液（20 ml）: CdS-大腸菌0.5 g, 5 mM MV, 100mM BisTris·Cl (pH 5 or 7); 光源, AM1.5G solar
simulator; 照射面積, 3 cm×3 cm; 強度, 1 SUN.（3.
発表論文内の図を加工）
2.4 まとめと展望
本研究では、大腸菌の有する金属硫化物半導体形成能と、遺伝子工学的に付与した水素生成能を組み合わせた新規な無機-バイオハイブリッド反応系による可視光駆動型水素生産を目指した。図1で示した想定の通りの反応系を構築でき、研究成果はChemBioChem誌に発表した。
一方、現段階での反応効率は低く改善が必要で