表現型のばらつきを利用した環境適応機構の解明

• Project/Area Number: 18J01280
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied microbiology
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 高野 壮太朗 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生物プロセス研究部門 生物資源情報基盤研究グループ, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 1細胞解析 / ライブセルイメージング / 表現型ばらつき / 飢餓応答 / １細胞解析 / 細胞履歴

Outline of Annual Research Achievements

近年の１細胞解析技術の進展により、同じ遺伝情報を持つ細菌集団においても、個々の細胞が示す機能や特性に大きな違いが生まれることが明らかとなり、こうした表現型のばらつきが細菌の環境適応に重要な役割を果たすことが明らかとなっている。一方で、遺伝的変異に依らない性質の違いが生み出されるプロセスや、それらがどの程度の期間安定的に保持されうるのかについては今なお理解が不足している。私は、細菌1細胞ごとの生理状態のばらつきを長期間にわたって観察可能な計測システムを構築し、表現型ばらつきの発展プロセスの理解を目指してきた。特に本研究では、飢餓状態におかれた大腸菌クローン細菌集団をモデルとし、富栄養環境への移行に伴い速やかに再増殖を開始する一部の小集団の出現プロセスの解明を進めてきた。
採用第三年度目では、細胞ごとの成長特性の違いが世代や時間を越えて安定して受け継がれているのか、細胞ごとの成長速度のばらつき増大にどのような生化学反応プロセスが関わっているのかの二点の解明に取り組んできた。初めに、細胞ごとの成長特性が飢餓条件下でどれだけ安定して保持されるかを調べたところ、同一祖先細胞から派生した細胞間であっても、世代を経るごとに異なる成長特性を示す傾向にあることが明らかとなった。また、同一の細胞であっても数日間に及ぶ長期間のタイムスパンで見た場合には、飢餓環境中での成長速度は大きく変化しやすい傾向にあることも明らかとなった。続いて、成長速度のばらつきと関わりのある生体反応として、細胞内貯蔵物質を分解する代謝経路に着目し、それらの一部を欠損させた大腸菌を使って個々の細胞の成長速度を解析したところ、代謝経路の一部を欠損させると、成長速度におけるばらつきが極めて小さくなることが明らかとなり、成長特性におけるばらつきと関わりのある生理機能についても明らかにすることができた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Yale University(米国)
• [Journal Article] Transcriptome signature of E. coli under a prolonged starvation environment. (2020)
  • Author(s): Sotaro Takano, Hiromi Takahashi, Yoshie Yama, Ryo Miyazaki, Saburo Tsuru.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 無し
  • Open Access
• [Journal Article] Deep Sequencing Uncovers Caste-Associated Diversity of Symbionts in the Social Ant Camponotus japonicus (2020)
  • Author(s): Koto A, Nobu M K, Miyazaki R
  • Journal Title: mBio Volume: 11 Issue: 10 Pages: 2150-7511
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1008445
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 表現型のばらつきが作り出すクローン細胞集団の多様性と社会性 (2018)
  • Author(s): 高野壮太朗、宮崎亮
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 56 Pages: 461-468
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Direct observation of heterogeneous starvation response and emergence of surviving subpopulation in the clonal microbial population (2019)
  • Author(s): 高野 壮太朗、梅谷 実樹、中岡 秀憲、若本 祐一、宮崎 亮
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 大腸菌クローン集団の不均一な飢餓応答と生存への影響 (2019)
  • Author(s): 高野壮太朗、梅谷実樹、中岡秀憲、若本祐一、宮崎亮
  • Organizer: 第13回日本ゲノム微生物学会年会