大腸菌進化実験を用いた環境適応ネットワークの構成的理解

• Project/Area Number: 15KT0085
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 特設分野
• Research Field: Constructive Systems Biology
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 古澤 力 国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, チームリーダー (00372631)
• Project Period (FY): 2015-07-10 – 2018-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2017: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2016: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2015: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 環境適応ネットワーク / 大腸菌 / 進化実験

Outline of Annual Research Achievements

生物システムは動的に変化する環境条件に対し、柔軟にその内部状態を変化させることによって適応をする能力を持つ。近年の分子生物学の発展は、その適応に関与する多くの要素を同定した一方で、こうした複数の構成要素からなる環境適応ネットワークが、進化の過程によってどのように出現したかについては、不明な点が多く残されている。そこで本研究では、多数の異なる環境下での大腸菌進化実験を行い、その進化ダイナミクスをトランスクリプトーム解析やゲノム変異解析によって定量する。そうした定量データに基づき、細胞モデルの進化シミュレーションを援用しつつ、環境適応ネットワークの進化ダイナミクスが持つ一般的な性質を明らかにする。
平成28年度は、96種類の異なるストレス（酸・アルカリ・重金属・抗生物質など）を付与した環境下での大腸菌の進化実験系を実施した。それぞれのストレス環境下において、6つの独立系列で30日程度の植え継ぎ培養による進化実験を行い、87種種類の環境においてストレス耐性能（最小阻害濃度）の有意な上昇を観測した。これらの耐性株について、ゲノム変異解析のためのサンプル取得と、トランスクリプトーム解析のための実験系の構築が完了しており、29年度に定量データの取得を行う。また並行して、単純化した細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析により、表現型進化が少数次元のダイナミクスによって拘束される現象を見出した。この結果は、大腸菌の進化実験の結果においても、トランスクリプトーム空間において可能な表現型の変化が少数次元の空間に拘束されていることを示唆している。今後、この予測を定量的に評価し、環境適応と進化のダイナミクスと、それをもたらすネットワークが持つ一般的な性質を明らかにする。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

多数のストレス環境下での進化実験を実施し、耐性株の取得に成功をしている。今後は、これら耐性株の表現型と遺伝子型の変化を解析することにより、環境適応・進化のダイナミクスが持つ一般的な性質を解析することが可能になる。また、細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析の結果においても、表現型進化が少数次元のダイナミクスに拘束され得ることを示すことに成功した。この結果と実験データ解析を統合し、環境適応と進化における一般的性質を明らかにするため基盤構築が出来ている。

Strategy for Future Research Activity

上述の多数のストレス環境や、時間的に変動する環境下での進化実験を行い、耐性株を取得する。トランスクリプトーム解析とゲノム変異解析を用い、その進化ダイナミクスを特徴づける表現型と遺伝子型の変化を抽出する。また、細胞モデルを用いた変動する環境下での進化シミュレーションを行い、そこで出現する反応ネットワークが持つ一般的な性質を抽出する。これら実験研究と理論研究を統合し、環境適応ネットワークが出現するメカニズムの理解を試みる。

Research Products

• [Journal Article] Expression profiling of antibiotic resistant bacteria obtained by laboratory evolution (2017)
  • Author(s): S. Suzuki, T. Horinouchi and C. Furusawa
  • Journal Title: Methods Mol Biol. Volume: 1520 Pages: 263-279
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-6634-9_16
  • ISBN: 9781493966325, 9781493966349
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Acceleration and Suppression of Resistance Development by Antibiotic Combinations (2017)
  • Author(s): S. Suzuki, T. Horinouchi and C. Furusawa
  • Journal Title: BMC Genomics Volume: 18 Issue: 1 Pages: 328-328
  • DOI: 10.1186/s12864-017-3718-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 進化実験を用いた薬剤耐性メカニズムの解析 (2017)
  • Author(s): 古澤力
  • Journal Title: 薬学雑誌 Volume: 137(4) Pages: 373-376
  • NAID: 130005529539
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phenotypic changes associated with the fitness cost in antibiotic resistant Escherichia coli strains (2016)
  • Author(s): Shingo Suzuki, Takaaki Horinouchi, Chikara Furusawa
  • Journal Title: Molecular Biosystems Volume: Vol.12 No.2 Issue: 2 Pages: 414-420
  • DOI: 10.1039/c5mb00590f
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 大腸菌進化実験を用いた遺伝子発現量からの抗生物質耐性メカニズムの解析 (2016)
  • Author(s): 古澤力,鈴木真吾,堀之内貴明
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 74(2) Pages: 138-140
  • NAID: 40020762041
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Toward Understanding of Adaptive Evolution: Theoretical Analysis and Microbial Laboratory Evolution (2017)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: 5th International Symposium of the Mathematics on Chromatin Live Dynamics
  • Place of Presentation: 東広島芸術文化ホール(広島県東広島市)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 全自動培養システムを用いた多種ストレス環境化における大腸菌進化ダイナミクスの解析 (2017)
  • Author(s): 前田智也,堀之内貴明,阪田奈津枝,小谷葉月,酒井亜希,田辺久美,古澤力
  • Organizer: 第１１回ゲノム微生物学会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学(東京都港区)
• [Presentation] 生物システムの可塑性と安定性の理解へ向けて：実験室進化と理論解析によるアプローチ (2017)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: Workshop on recent development of statistical physics
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Invited
• [Presentation] Prediction of Stress Resistance By Gene Expression Profiles (2016)
  • Author(s): Chikara Furusawa, Shingo Suzuki, Takaaki Horinouchi
  • Organizer: Metabolic Engineering XI
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台国際会議場(兵庫県淡路市)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Evolution of Escherichia coli Under Various Chemical Compounds Using High-Throughput Automated Culture System (2016)
  • Author(s): Takaaki Horinouchi, Shingo Suzuki, Hiroshi Shimizu, Chikara Furusawa
  • Organizer: Metabolic Engineering XI
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台国際会議場(兵庫県淡路市)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward Understanding of Biological Plasticity:Computational Analysis and Experimental Evolution (2016)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: QBiC Symposium 2016
  • Place of Presentation: 千里ライフサイエンスセンター(大阪府豊中市)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Escherichia coli cellular state profiling during adaptive evolution to various stress conditions using omics technology (2016)
  • Author(s): Takaaki Horinouchi, Tomoya Maeda, Chikara Furusawa
  • Organizer: QBiC Symposium 2016
  • Place of Presentation: 千里ライフサイエンスセンター(大阪府豊中市)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of evolutionary constraints and plasticity by laboratory evolution and computational models (2016)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: Genome Evolution Conference
  • Place of Presentation: Rehovot(Israel)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward Understanding of Adaptive Evolution: High-throughput Laboratory Evolution and Computational Analysis (2016)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: International Symposium on Universal Biology
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ハイスループット実験室進化とオミックス解析によるストレス耐性微生物の育種 (2016)
  • Author(s): 堀之内貴明,古澤力
  • Organizer: 2016年度生物工学若手研究者の集い 夏のセミナー
  • Place of Presentation: ホテルコンチネンタル府中(東京都府中市)
• [Presentation] 表現型進化の現象論 (2016)
  • Author(s): 金子邦彦,古澤力
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学(石川県金沢市)
• [Presentation] 実験室進化とオミックス解析によるイソプロパノール耐性大腸菌の育種 (2016)
  • Author(s): 堀之内貴明,酒井亜希,田辺久美,古澤力
  • Organizer: 第６８回日本生物工学会大会
  • Place of Presentation: 富山国際会議場(富山県富山市)
• [Presentation] 全自動実験室進化システムの高度化と大腸菌の超ハイスループット実験室進化 (2016)
  • Author(s): 堀之内貴明,前田智也,古澤力
  • Organizer: 生命情報科学若手の会第８回研究会
  • Place of Presentation: 北海道伊達市大滝セミナーハウス(北海道伊達市)
• [Presentation] 適応進化ダイナミクスの解明-微生物実験と理論解析- (2016)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 東京大学物理学専攻A7サブコース 第3回 シンポジウム 「生物物理の新展開」
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Invited
• [Presentation] 細胞シミュレーションと大腸菌進化実験を用いた適応進化ダイナミクスの解析 (2016)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第6回数理デザイン道場
  • Place of Presentation: 東レ（株）総合研修センター(静岡県三島市)
  • Invited
• [Presentation] 生き物はどこまで変われるのか-進化実験と理論解析- (2016)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 研究会「物理学的普遍性から生物学的普遍性へ」
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌進化実験による進化可能性の構成的理解に向けて (2016)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 日本進化学会第１８回大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学(東京都目黒区)
  • Invited
• [Presentation] 生物システムの可塑性の理解に向けて-理論解析と実験進化- (2016)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第５４回日本生物物理学会年会シンポジウム
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • Invited
• [Presentation] 生物システムの安定性と可塑性： 理論と実験からのアプローチ (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第34回 BMIRC研究会
  • Place of Presentation: 九州工業大学 飯塚キャンパス・飯塚市・福岡県
  • Year and Date: 2015-12-10
  • Invited
• [Presentation] 全自動実験室進化システムを用いた多系列・多種ストレス環境の実験室進化による大腸菌のストレス適応戦略の解析 (2015)
  • Author(s): 堀之内貴明
  • Organizer: 第38回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場・神戸市・兵庫県
  • Year and Date: 2015-12-02
• [Presentation] 大腸菌進化実験と 細胞シミュレーションを用いた 適応進化ダイナミクスの解析 (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第38回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場・神戸市・兵庫県
  • Year and Date: 2015-12-02
  • Invited
• [Presentation] Toward Understanding of Adaptive Evolution:Computational Analysis and Experimental Evolution (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 平成２７年度生命システム理論研究会
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学・文京区・東京都
  • Year and Date: 2015-11-27
  • Invited
• [Presentation] 生物システムの安定性と可塑性： 大腸菌進化実験によるアプローチ (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 山田研究会「生物と非生物をつなぐ」
  • Place of Presentation: ラフォーレ修善寺・伊豆市・静岡県
  • Year and Date: 2015-11-16
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌の進化実験を用いた進化ダイナミクスの解析とその応用 (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第６７回日本生物工学大会
  • Place of Presentation: 城山観光ホテル・鹿児島市・鹿児島県
  • Year and Date: 2015-10-28
  • Invited
• [Presentation] 大自由度ダイナミクスから”生きている状態”の記述へ (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第５３回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス・金沢市・石川県
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Invited
• [Presentation] Toward Understanding of Adaptive Evolution: Computational Analysis and Experimental Evolution (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: QBiC Symposium: High-dimensional data for the design principles of life
  • Place of Presentation: 理化学研究所 生命システム研究センター・吹田市・大阪府
  • Year and Date: 2015-08-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 「進化の謎をゲノムで解く」（長谷部光泰監修） (2015)
  • Author(s): 古澤力
  • Publisher: 学研メディカル秀潤社