Deep-sea electrochemistry 

深海電気化学

Electricity generation at deep-sea hydrothermal vent? 

Deep-sea hydrothermal vents (chimneys) are "natural giant batteries" whose energy source is the chemical potential gradient created by the hot reductive hydrothermal fluid and cold oxidative sea water. In this project, we will use state-of-the-art analytical methods to reveal the unknown energy conversion functions of hydrothermal vents. Then, by using microfluidic reactors, we will reproduce the deep-sea power generation and attempt to synthesize biomolecules using CO2 as a substrate, which could be the first step toward the emergence of primitive life.


地球をエネルギーとした発電システム？深海熱水噴出孔（チムニー）は、地球内部に蓄えられた還元力と酸化的な海水が作り出す化学ポテンシャル勾配をエネルギー源とした「天然の巨大電池」である。本課題では、最先端の分析手法を用いてチムニーが持つ未知の機能を明らかにします。そして、マイクロ流路リアクターを用いることで深海発電現象を再現し、原始生命誕生に向けた第一歩であるCO2を基質とした生体分子の合成に挑みます。


ref: CO2 reduction driven by a pH gradient, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020, 117, 22873-22879. DOI

Electrochemistry at deep-sea hydrothermal vents: utilization of the thermodynamic driving force towards the autotrophic origin of life, ChemElectroChem, 2019, 6, 1316-1323. DOI

Electrical Current Generation across a Black Smoker Chimney, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 7692-7694. DOI


Catalysis in nano-spcaes 

Protometabolisms powered by electricity

電気化学合成

How did life emerge from non-life? 

One methodology to approach this question is "Systems Chemistry," in which life-like functions are created from connections of chemical reactions. In this project, we aim to artificially reproduce metabolic systems in biology using abiotic catalysts. Through these efforts, we aim to realize protometabolic systems that express functions unique to life, such as self-repair and environmental adaptability.


非生命から生命がどのようにして誕生したのか？ その謎に迫る方法論として、反応の繋がりから機能を生み出す「システムズケミストリー」がある。本課題では、生体内化学反応ネットワーク（生物代謝）の人工的な再現を目的とし、反応選択性を制御するための新たな方法論ならびに触媒材料の開拓に取り組みます。これにより、自己修復や環境適応能などの生命固有の機能を発現する人工の化学反応ネットワークシステムを実現を目指します。


ref: Nonenzymatic anaerobic ammonium oxidation through a hydrazine intermediate 2023　ChemRxive 

Regulation of the electrocatalytic nitrogen cycle based on sequential proton–electron transfer, Nat. Catal., 2022, 5, 798-806, DOI

Selective electrocatalytic reduction of nitrite to dinitrogen based on decoupled proton-electron transfer, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 2012-2015. DOI




Electromicrobiology

電気微生物学


Microbes that can live off electricity?　


Life requires energy to survive. Normally, organic matter is used as an energy source. On the other hand, recent studies have found microorganisms that live utilizing electrical energy (electrosynthetic microorganisms). Through combined research in electrochemistry and microbiology, this project aims to elucidate the mechanism by which microorganisms take electricity into their bodies, and to identify "electrosynthetic ecosystem," that may exist at the deep sea. We will also try to reproduce the "process by which primitive cells harness electrical energy for evolution" using artificial cell membranes. 


電気を食べる微生物？　生命が生きていくためにはエネルギーが必要である。通常は、有機物をエネルギー源とする。一方、最近の研究により、電気エネルギーを利用しながら生きている微生物（電気合成微生物）が見つかった。本課題では、電気化学と微生物学の融合研究を通して、微生物が電気を体内に取り込む仕組みを解明し、深海底に存在するであろう未知の生体系「電気合成生態系」の特定を目指します。また、人工細胞膜を使って、「原始細胞が電気エネルギーを取り込む過程」を、再現することに挑戦します。 


ref:  In situ electrosynthetic bacterial growth using electricity generated by a deep-sea hydrothermal vent, ISMI Jornal, 2022, DOI


Anodic and cathodic extracellular electron transfer by the filamentous bacterium Ardenticatena maritima 110S, Front. Microbiol., 2018, DOI.


From chemolithoautotrophs to electrolithoautotrophs: CO2 fixation by Fe(II)-oxidizing bacteria coupled with direct uptake of electrons from solid electron sources, Front. Microbiol., 6:994. DOI