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石井正治 昭和３４年３月１２日生 ＜履歴＞ 昭和５２年３月 東京都立富士高等学校卒業 昭和５２年４月 東京大学理科II類入学 昭和５６年３月 東京大学農学部農芸化学科卒業 昭和５６年４月 東京大学大学院農学系研究科農芸化学専門修士課程入学 昭和６１年３月 東京大学大学院農学系研究科農芸化学専門博士課程修了 昭和６１年３月 農学博士（東京大学）：絶対独立栄養性・高度好熱性水素細菌 Hydrogenobacter thermophilusに関する研究～エネルギー代謝を中心として～ ＜職歴＞ 昭和６２年７月 東京大学助手 平成６年６月～平成７年８月 オハイオ州立大学ポスドク 平成１０年８月 東京大学助教授（途中から准教授） 平成１１年４月～平成１２年３月 大阪大学助教授（併任） 平成１８年４月～平成１９年３月 大阪大学助教授（併任） 平成２３年９月 東京大学教授 ＜受賞歴＞ １９８９年 発酵と代謝研究奨励賞「還元的TCAサイクル-アミノ酸生合成に密接に関連した炭酸固定経路-の特徴的な炭酸固定反応に関する研究」
１９９８年 農芸化学奨励賞「好熱好気性・絶対独立栄養性水素細菌 Hydrogenobacter thermophilius TK-6株のCO2・エネルギー代謝に関する研究」
２００２年 生物工学論文賞「Denaturing gradient gel electrophoresis analyses of microbial community from field-scale composter : JBB vol. 91, no.2, p.159-165, 2001」
２００４年 生物工学論文賞「Isolation and Characterization of Predominant Microorganisms during Decomposition of Waste Materials in a Field-scale Composter: JBB vol. 95, no. 4, p. 368-373, 2003」
応用微生物学とは？ ・既に応用的に使われている微生物に関する学問 “応用微生物”学 ・微生物学（で得られた知見を）応用する学問 “微生物応用”学≒微生物応用学 応用微生物学研究室（創立70周年） 発酵燃料生産学～発酵生産学～微生物利用学～応用微生物学 朝井勇宣先生 山田浩一先生 蓑田泰治先生 児玉徹先生 五十嵐泰夫先生
微生物の特徴？
・多様な種類 ・多様な代謝機能 pH，温度，圧力，塩，好気嫌気，炭素源， エネルギー源，窒素源
好気・嫌気
呼吸と発酵の違い？ ATP生成様式 発酵：基質レベルのリン酸化 （アルコール発酵、乳酸発酵など） 呼吸：H+(Na+)-ATPaseにリンクしたATP生成 プロトングラジエント形成が必須 （好気呼吸もあれば嫌気呼吸もある）
メタン生成経路
“メタン発酵”は間違った表現
メタン酸化経路
http://www.enaa.or.jp/SEC/report/index_metan_h20.html
メタン資化性菌
微生物の特徴？
・多様な種類 ・多様な代謝機能 pH，温度，圧力，塩，好気嫌気，炭素源， エネルギー源，窒素源
既存の固定系の種類と特徴
糖代謝を基盤:カルビンベンソンサイクル 無機化合物代謝を基盤:アセチル-CoA経路 有機酸代謝を基盤: Reductive TCA cycle Dicarboxylate/4-Hydroxybutyrate cycle 3-Hydroxypropionate/4-Hydroxybutyrate cycle 3-Hydroxypropionate cycle
耐酸素性：高
耐酸素性：低
Reductive TCA cycle
ＰＯＲ
ＯＧＯＲ
耐酸素性：低
Dicarboxylate/4-Hydroxybutyrate cycle
Similar to rTCA cycle
Similar to 3-HP/4-HB
cycle
PNAS 105, 7851 (2008)
2CO2 + CoA →Acetyl-CoA 3ATP + 8[H]
ＰＯＲ 耐酸素性：低
3-Hydroxypropionate/4-Hydroxybutyrate cycle
Similar to 3-HP cycle Similar to
DC/4-HB cycle
2CO2 + CoA →Acetyl-CoA 4ATP + 8[H]
Science 318, 1782 (2007)
耐酸素性：高
PNAS 106, 21317 (2009)
3-Hydroxypropionate cycle
Bifunctional
耐酸素性：高
PNAS 106, 21317 (2009)
Bifunctional
Trifunctional
Trifunctional
アセチルCoA
マロニルCoA
マロン酸セミアルデヒド
3-ヒドロキシプロピオン酸 3-ヒドロキシプロピオニルCoA
アクリロイルCoA
プロピオニルCoA
3-Hydroxypropionateサイクル
アセチルCoAから プロピオニルCoA
まで
J. Exp. Bot. 63,
2342 (2012)
微生物の特徴？
・多様な種類 ・多様な代謝機能 pH，温度，圧力，塩，好気嫌気，炭素源， エネルギー源，窒素源
アナモックス菌
http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6932/fig_tab/nature01472_F1.html
http://www.chem-station.com/yukitopics/ladderane.htm
http://www2u.biglobe.ne.jp/~KA-ZU/kouzui_1.html
http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6932/fig_tab/nature01472_F2.html
【培養条件】70℃ 無機塩培地 + 60 mM 硝酸ナトリウム ＋ 電子メディエーター：0.2 mM Anthraquinone 2,6-disulfonate (AQDS) 【通気条件】 H2/CO2/N2 = 75 : 15: 10の混合ガス(300ml/min) 【通電条件】 作用極 -0.6 V vs Ag/AgCl (AQDSの還元電位)
実験手法：TK-6の電気培養（還元力の供給）
ガス
窓
H2:N2:CO2=75:10:15
ガスブレンダー
屋外へ排気
排出ガス中の
蒸気トラップ 活性炭
ホットプレートスターラー
250mL
電源
フィルター
参照電極
H2, CO2
CO2
e-
H2
NO3-
AQDS
AH2QDS
e-
e- e-
TK-6株 還元型
酸化型
ポテンシオスタット
電気培養槽 【写真】 【模式図】
作用極
電極からAQDSを介して電子を細胞に供給しながら培養
【期待されるコンセプト】
電気培養(電子の供給)による硝酸呼吸の促進
・電極からAQDSを介したTK-6細胞への電子を供給 ・還元力の供給により硝酸呼吸速度が上昇 ・硝酸の枯渇とともに電流が停止 → 電子は呼吸鎖に供給？エネルギー代謝に影響
CO2
e-
H2
NO3-
AQDS
AH2QDS
e-
e- e-
TK-6株 還元型
酸化型
TK-6, AQDS
No cell, AQDS
電流値
細胞とAQDSが有るときのみ増殖とリンクした電流が発生
0
1000
2000
3000
4000
5000
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
1.0E+10
0 500 1000 1500 2000
Nit
rate
co
nce
ntr
atio
n(m
g/L
)
Cel
l den
sity
( c
ells
/ml)
Incubation time (min)
通電有り
通電なし
系列3
0 246 386 504 617 705 1283 1550 1800
通電有り
通電なし
菌体密度
通電なし
増殖と硝酸呼吸
硝酸濃度
通電 (-0.6V)
通電なし
通電 (-0.6V)
×
-0.003
-0.0025
-0.002
-0.0015
-0.001
-0.0005
0
0 500 1000 1500 2000
Cu
rren
t (A
/rea
cto
r)
Incubation time (min)
?
細胞数：3.8×109当たりの量変動
細胞から電極への電子の移動に伴って
細胞内の酸化還元バランスは大きく酸化側にシフトした
↓
電気化学的に細胞内酸化還元バランス (NAD+/NADH) を制御
＝代謝を制御する手法としての可能性
【細胞内エレクトロンフローへの通電の影響】
0
100
200
300
400
500
600
700
NA
D+/
NA
DH量
(p
mo
l) NAD+
NADH
0
1
2
3
4
5
6
7
NA
D+/
NA
DHの相対比
選定した電子メディエーターから
細胞吸着型電子メディエーター：
ニュートラルレッド (NR) を選択
電子の流れを測定できる系を構築
[水素→細胞 → NR → 電極 (+0.4V)]
の電子の流れを測定
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
0 200 400 600 800 1000 1200
電流値
(A)
経過時間 (min)
TK-6細胞あり
細胞無し
細胞由来の電流を検出
対極
イオン交換膜
参照電極
作用極
ガスバッグ
H2, CO2
酸化還元バランス
電源
TK-6+NR
CO2 H2
NO3-
e- e-
NADH
NAD+
e-
酸化へシフト
電気培養(電子の引き抜き)による菌体内代謝変化
応用微生物学講義概要
1） 応用微生物学概論―歴史と概要―
応用微生物学の基礎知識（石井）（１０月９日）
2） 微生物の利用
1． アルコール（石井）（１０月１６日）
2． 有機酸（石井）（１０月２３日）
3． 抗生物質（石井）（１０月３０日）
4． 生理活性物質（酵素阻害剤など）（石井）（１１月６日）
5． 菌体・その他（石井）（１１月１３日）
6． ビタミン及びカロチノイドの発酵生産（星野）（１１月２０日）
7． アミノ酸核酸発酵（中村）（１１月２７日）
8． 発酵食品および醸造（石井）（１２月４日）
9． 酵素（探索・生産・利用）（石井）（１２月１１日）
3） 資源・環境と微生物
1. 資源リサイクルと微生物の機能（野尻）（１月８日）
2. 環境浄化と微生物の機能（野尻）（１月１５日）
3. 炭素の循環と微生物の機能（石井）（１２月１８日）
4） 集団としての微生物の機能とその利用（石井）（１月２２日）
テスト（石井）（１月２９日）
