Recycling of spent heavy water from microbial cultivation and its application in glycine deuteration

微生物培養由来の使用済み重水の再生利用とグリシン重水素化への適用

柴崎 千枝; 奥 隆之   ; 他5名*

Shibazaki, Chie; Oku, Takayuki; 5 of others*

日本の大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設(MLF)では、中性子ビームを用いた物質科学・生命科学研究の数多くの実験が行われている。中性子散乱研究においては、局所的な情報の抽出、コントラスト変化散乱実験、あるいは水素由来の非干渉性散乱の抑制のために、重水素化試料が広く利用されている。しかし、日本国内における重水(DO)の価格は過去10年間で数倍に高騰しており、安価に高濃度の純重水を得るための新たなリサイクル手法の開発が必要となっている。本研究では、微生物培養で発生する廃重水を対象に、不純物を蒸留および活性炭処理で除去した後、電気分解によって重水素濃度を高めることで、DOのリサイクル法を確立した。その結果、3Lの使用済みDO(96.6%)溶液から、1Lの再生DO(98.8%)を得ることに成功した。純度は31Pおよび1H NMR分光により確認され、不純物は検出されなかった。再生DOは、白金担持炭素触媒と2-プロパノールを用いたグリシンの重水素化においても阻害効果を示さず、有効に利用できた。さらに、複数種のアミノ酸についても同様の重水素化実験を行い、高い重水素化率を有するアミノ酸を得ることに成功した。このアプローチにより、DOのコスト削減と持続的な再利用が可能となる。今後は、アラニンやヒスチジンのような側鎖をもつアミノ酸の完全重水素化法を開発し、得られた重水素化ペプチドの機能的特性を探求していく予定である。

The Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) hosts numerous experiments on materials and life science research using neutron beams. In neutron scattering studies, deuterated samples are widely employed for selective labeling to extract localized information, contrast variation neutron scattering experiments, and to suppress incoherent scattering from hydrogen. However, the domestic price of heavy water (DO) in Japan has surged several-fold over the past decade, it is necessary for developing a new method for recycling spent DO solution into pure DO with a high concentration of heavy water at a low cost. In this study, we established a method to recycle DO from waste generated during microbial cultivation by removing impurities via distillation and activated carbon treatment, followed by electrolysis to enhance deuterium concentration. As a result, 3 L of spent DO (96.6%) solution was purified to yield 1 L of recycled DO (98.8%). Purity was confirmed using 31P and 1H NMR spectroscopy with no impurities detected. The recycled DO was effective in deuteration of glycine using a platinum on carbon catalyst and 2-propanol, with no inhibitory effects. We conducted similar deuteration experiments on several types of amino acids and successfully obtained amino acids with a high degree of deuteration. This approach reduces DO costs and promotes its reuse as a sustainable resource. In the future, we aim to develop methods for the full deuteration of amino acids with side chains, such as alanine and histidine, and to explore the functional properties of the deuterated peptides.