Metabolic dynamics analysis in Escherichia coli toward understanding metabolic regulation and design of useful strains

• Project/Area Number: 19780061
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Applied microbiology
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: HIRASAWA Takashi Osaka University, 大学院・情報科学研究科, 助教 (20407125)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,690,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2008: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2007: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 応用微生物 / バイオテクノロジー / 分析科学 / 代謝ダイナミクス / 大腸菌 / 有用細胞創製

Research Abstract

本研究では、代謝制御機構の理解と産業上有用とされる化合物を生産する有用菌株デザインを目的として、大腸菌の細胞内の代謝のダイナミックな変化を代謝フラックス分布の変化からとらえることを目的とした。
生物の代謝は、遺伝子発現レベルでさまざまなタンパク質により制御を受けていることが知られている。代謝制御に関わるタンパク質の遺伝子を欠損させた細胞を培養することで、親株とは異なる細胞内酵素濃度組成になった状態の細胞が得られると予想される。そこで、大腸菌の野生株および細胞内代謝を制御するタンパク質をコードする遺伝子の欠損株を培養し、代謝の変化を測定した。また、野生株をさまざまな酸素レベルの状態で連続培養を行い、代謝フラックスの変化を解析した。さらには、細胞内遊離のアミノ酸についての分析データから、代謝フラックス分布を決定する手法の開発を試みた。
本研究により確立された手法を有機酸などの有用物質を生産する菌株に適用させることにより、微生物を用いた有用物質生産においてさらなる生産性向上を目指した育種の指針を導出することができると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Effect of trehalose accumulation on response to saline stress in Saccharomyces cerevisiae. (2009)
  • Author(s): S. A. Mahmud, K. Nagahisa, T. Hirasawa, K. Yoshikawa, K. Ashitani, H. Shimizu
  • Journal Title: Yeast 26 Pages: 17-30
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comprehensive phenotypic analysis for identification of genes affecting growth under ethanol stress in Saccharomyces cerevisiae. (2009)
  • Author(s): K. Yoshikawa, T. Tanaka, C. Furusawa, K. Nagahisa, T. Hirasawa, H. Shimizu
  • Journal Title: FEMS Yeast Res. 9 Pages: 32-44
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of odhA overexpression and odhA antisense RNA expression on Tween-40-triggered glutamate production by Corynebacterium glutamicum. (2009)
  • Author(s): J. Kim, T. Hirasawa, Y. Sato, K. Nagahisa, C. Furusawa, H. Shimizu.
  • Journal Title: Appl. Microbiol. Biotechnol. 81 Pages: 1097-1106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of odhA overexpression and odhA antisense RNA expression on Tween-40-triggered glutamate production by Cotynebacterium glutamicum (2009)
  • Author(s): Jongpill Kim, Takashi Hirasawa, Yoshiyasu Sato, Keisuke Nagahisa, Chikara Furusawa, Hiroshi Shimizu
  • Journal Title: Applied Microbiology and Biotechnology 81 Pages: 1097-1106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of trehalose accumulation on response to saline stress in Saccharomyces cerevisiae (2009)
  • Author(s): Siraje Arif Mahmud, Keisuke Nagahisa, Takashi Hirasawa, Katsunori Yoshikawa, Kengo Ashitani, Hiroshi Shimizu
  • Journal Title: Yeast 26 Pages: 17-30
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comprehensive phenotypic analysis for identification of genes affecting growth under ethanol stress in Saccharomyces cerevisiae (2009)
  • Author(s): Katsunori Yoshikawa, Tadamasa Tanaka, Chikara Furusawa, Keisuke Nagahisa, Takashi Hirasawa, Hiroshi Shimizu
  • Journal Title: FEMS Yeast Research 9 Pages: 32-44
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of L-lactate production by CYB2 gene disruption in a recombinant Saccharomyces cerevisiae strain under low pH condition. Biosci. (2008)
  • Author(s): A. Ookubo, T. Hirasawa, K. Yoshikawa, K. Nagahisa, C. Furusawa, H. Shimizu.
  • Journal Title: Biotechnol. Biochem. 72 Pages: 3063-3066
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genome-wide analysis of relationship between location and number of stress response element and gene expression in Saccharomyces cerevisiae. (2008)
  • Author(s): K. Yoshikawa, C. Furusawa, T. Hirasawa, H. Shimizu.
  • Journal Title: J. Biosci. Bioeng. 106 Pages: 507-510
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adaptation of Saccharomyces cerevisiae cells to high ethanol concentration and changes in fatty acid composition of membrane and cell size. (2008)
  • Author(s): T. N. Dinh, K. Nagahisa, T. Hirasawa, C. Furusawa, H. Shimizu
  • Journal Title: PLoS ONE 3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Distinct roles of two anaplerotic pathways in glutamate production induced by biotin limitation in Corynebacterium glutamicum. (2008)
  • Author(s): H. Sato, K. Orishimo, T. Shirai, T. Hirasawa, K. Nagahisa, H. Shimizu, M. Wachi.
  • Journal Title: J. Biosci. Bioeng. 106 Pages: 51-58
  • NAID: 110006835668
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic change in promoter activation during lysine biosynthesis in Escherichia coli cells. (2008)
  • Author(s): J. Ou, T. Yamada, K. Nagahisa, T. Hirasawa, C. Furusawa, T. Yomo, H. Shimizu.
  • Journal Title: Mol. Biosyst. 4 Pages: 128-134
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Adaptation of Saccharomyces cerevisiae cells to high ethanol concentration and changes in fatty acid composition of membrane and cell size (2008)
  • Author(s): Thai Nho Dinh, Keisuke Nagahisa, Takashi Hirasawa, Chikara Furusawa, Hiroshi Shimizu
  • Journal Title: PLoS ONE 3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Distinct roles of two anaplerotic pathways in glutamate production induced by biotin limitation in Corynebacterium glutamicum (2008)
  • Author(s): Hiroki Sato, Keita Orishimo, Tomokazu Shirai, Takashi Hirasawa, Keisuke Nagahisa, Hiroshi Shimizu, Masaaki Wachi
  • Journal Title: Journal of Bioscience and Bioengineering 106 Pages: 51-58
  • NAID: 110006835668
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genome-wide analysis of relationship between location and number of stress response element and gene expression in Saccharomyces cerevisiae (2008)
  • Author(s): Katsunori Yoshikawa, Chikara Furusawa, Takashi Hirasawa and Hiroshi Shimizu
  • Journal Title: Journal of Bioscience and Bioengineering 106 Pages: 507-510
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improvement of L-lactate production by CYB2 gene disruption in a recombinant Saccharomyces cerevisiae strain under low pH condition (2008)
  • Author(s): Aki Ookubo, Takashi Hirasawa, Katsunori Yoshikawa, Keisuke Nagahisa, Chikara Furusawa, Hiroshi Shimizu
  • Journal Title: Bioscienece, Biotechnology and Biochemistry 172 Pages: 3063-3066
  • NAID: 10027534549
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic change in promoter activation in lysine biosynthesis of Eschericahia coli cell. (2008)
  • Author(s): Jianhong Ou, Tadashi Yamada, Keisuke Nagahisa, Takashi Hirasawa, Chikara Furusawa, Tetsuya Yomo, Hiroshi Shimizu
  • Journal Title: Molecular Biosystems 4 Pages: 128-134
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiple high throughput analyses monitor the response of E. coli to perturbations. (2007)
  • Author(s): N. Ishii*, K. Nakahigashi*, T. Baba-, M. Robert*, T. Soga*, A. Kanai*, T. Hirasawa*, 他19名(*Equally contributed)
  • Journal Title: Science 316 Pages: 593-597
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of target genes conferring ethanol stress tolerance to Saccharomyces cerevisiae based on DNA microarray data analysis. (2007)
  • Author(s): T. Hirasawa, K. Yoshikawa, Y. Nakakura, K. Nagahisa, Y. Katakura, C. Furusawa, H. Shimizu, S. Shioya.
  • Journal Title: J. Biotechnol. 131 Pages: 34-44
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct measurement of isotopomer of intracellular metabolites using capillary electrophoresis time-of-flight mass spectrometry for efficient metabolic flux analysis. (2007)
  • Author(s): Y. Toya, N. Ishii, T. Hirasawa, M. Naba, K. Hirai, K. Sugawara, S. Igarashi, K. Shimizu, M. Tomita, T. Soga.
  • Journal Title: J. Chromatogr. A 1159 Pages: 134-141
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of target genes conferring ethanol stress-tolerance to yeast Saccharomyces cerevisiae based on DNA microarray data analysis. (2007)
  • Author(s): Takashi Hirasawa, Katsunori Yoshikawa, Yuki Nakakura, Keisuke Nagahisa, Chikara Furusawa, Yoshio Katakura, Hiroshi Shimizu, Suteaki Shioya
  • Journal Title: Journal of Biotechnology 131 Pages: 33-44
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiple high throughput analyses monitor the response of E.coli to perturbations. (2007)
  • Author(s): Nobuyoshi Ishii, Kenji Nakahigashi, Tomoya Baba, Martin Robert, Tomoyoshi Soga, Akio Kanai, Takashi Hirasawa, et. al.
  • Journal Title: Science 316 Pages: 593-597
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct measurement of isotopomer of intracelluar metabolite using capillary electrophoresis time-of-flight mass spectrometry for efficient metabolic flux analysis. (2007)
  • Author(s): Yoshihiro Toya, Nobuyoshi Ishii, Takashi Hirasawa, Miki Naba, Kenta Hirai, Kaori Sugawara, Saori Igarshi, Kazuyuki Shimizu, Masaru Tomita, Tomoyoshi Soga
  • Journal Title: Jourmal of Chromatography A 1159 Pages: 134-141
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ゲノムスケール代謝反応モデルを用いた酵母の代謝解析 (2008)
  • Author(s): 井田祥弘、古澤 力、Sunisa Chatsurachai、新福洋平、平沢 敬、清水 浩
  • Organizer: 第31回日本分子生物学会年会・第81回日本生化学会大会合同大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] CE-TOF/MSを利用した^<13>C代謝流束解析の回分培養への応用 (2008)
  • Author(s): 戸谷吉博、石井伸佳、平沢 敬、曽我朋義、冨田 勝、清水和幸
  • Organizer: 第31回日本分子生物学会年会・第81回日本生化学会大会合同大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] マルチオミクスによる大腸菌の遺伝・環境変化に対する応答解析 (2008)
  • Author(s): 石井伸佳、中東憲治、馬場知哉、Martin Robert、曽我朋義、金井昭夫、平沢 敬、他19名
  • Organizer: 第31回日本分子生物学会年会・第81回日本生化学会大会合同大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Metabolic flux balance analysis of an industrially useful microorganism Corynebacerium glutamicum by a genome-scale reconstructed model. (2008)
  • Author(s): H. Shimizu, Y. Shinfuku, M. Sono, C. Furusawa, T. Hirasawa.
  • Organizer: The 3rd International Conference on Bio-Inspired Models of Network, Information, and Computing Systems
  • Place of Presentation: 淡路
  • Year and Date: 2008-11-27
• [Presentation] Comprehensive phenotypic analysis of yeast under ethanol stress condition. (2008)
  • Author(s): K. Yoshikawa, T. Tanaka, C. Furusawa, K. Nagahisa, T. Hirasawa, H. Shimizu.
  • Organizer: The 13th International Biotechnology Symposium and Exhibition.
  • Place of Presentation: 中国
  • Year and Date: 2008-11-15
• [Presentation] Systems biotechnology of coryneform bacteria. (2008)
  • Author(s): H. Shimizu, C. Furusawa, T. Hirasawa.
  • Organizer: The 13th International Biotechnology Symposium and Exhibition.
  • Place of Presentation: 中国
  • Year and Date: 2008-11-15
• [Presentation] Comprehensive phenotypic analysis of yeast under ethanol stress condition (2008)
  • Author(s): Katstmori Yoshikawa, Tadamasa Tanaka, Chikara Furusawa, Keisuke Nagahisa, Takashi Hirasawa, Hiroshi Shimizu
  • Organizer: The 13th international Biotechnology Symposium and Exhibition
  • Place of Presentation: Dalian World Expo Center
  • Year and Date: 2008-10-15
• [Presentation] 乳酸生産能を付与した酵母の網羅的遺伝子発現情報に基づいた生産性向上のための育種 (2008)
  • Author(s): 平沢 敬、大久保亜紀、吉川勝徳、永久圭介、古澤 力、清水 浩
  • Organizer: 化学工学会第40回秋季大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2008-09-25
• [Presentation] 乳酸生産能を付与した酵母の網羅的遺伝子発現情報に基づいた生産性向上のための育種、 (2008)
  • Author(s): 平沢敬、大久保亜紀、吉川勝徳、永久圭介、古澤力、清水浩
  • Organizer: 化学工学会第40回秋季大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2008-09-25
• [Presentation] コリネ型細菌の代謝評価とアミノ酸生産機構の解明 (2008)
  • Author(s): 白井智量、古澤 力、平沢 敬、清水 浩
  • Organizer: 化学工学会第40回秋季大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2008-09-24
• [Presentation] Effect of odhA antisense RNA expression on glutamate production in Corynebacterium glutamicum. (2008)
  • Author(s): J. Kim, T. Hirasawa, Y. Sato, K. Nagahisa, C. Furusawa, H. Shimizu.
  • Organizer: 第60回日本生物工学会大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2008-08-27
• [Presentation] ゲノムスケール代謝モデルを用いたCorynebacterium glutamicumの代謝解析 (2008)
  • Author(s): 新福洋平、古澤 力、平沢 敬、清水 浩
  • Organizer: 第60回日本生物工学会大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2008-08-27
• [Presentation] ペニシリンに誘導されるグルタミン酸生産におけるコリネ型細菌のプロテオーム解析 (2008)
  • Author(s): 平沢 敬、福田洋久、永久圭介、和地正明、清水 浩
  • Organizer: 第60回日本生物工学会大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2008-08-27
• [Presentation] ペニシリン処理により誘導されるグルタミン酸生産におけるコリネ型細菌のプロテオーム解析 (2008)
  • Author(s): 平沢敬、福田洋久、永久圭介、和地正明、清水浩
  • Organizer: 第60回日本生物工学会大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2008-08-27
• [Presentation] 酵母を用いたL-乳酸生産に対するCYB2遺伝子破壊の効果 (2008)
  • Author(s): 平沢 敬、大久保亜紀、吉川勝徳、永久圭介、古澤 力、清水 浩
  • Organizer: 日本農芸化学会2008年度大会
  • Place of Presentation: 名城大学
  • Year and Date: 2008-03-27
• [Presentation] 酵母を用いたL-乳酸生産に対するCYB2遺伝子破壊の効果 (2008)
  • Author(s): 平沢 敬、大久保 亜紀、吉川 勝徳、永久 圭介、古澤 力、清水 浩
  • Organizer: 2008年度日本農芸化学会大会
  • Place of Presentation: 名城大学
  • Year and Date: 2008-03-27
• [Presentation] ストレス環境下における酵母一遺伝子破壊株のフェノーム解析 (2008)
  • Author(s): 吉川勝徳、田中忠昌、永久圭介、平沢 敬、古澤 力、清水 浩
  • Organizer: 化学工学会第73年会
  • Place of Presentation: 静岡大学
  • Year and Date: 2008-03-19
• [Presentation] ストレス環境下における酵母-遺伝子破壊株のフェノーム解析 (2008)
  • Author(s): 吉川勝徳、田中忠昌、永久圭介、平沢 敬、古澤 力、清水 浩
  • Organizer: 化学工学会第73年会
  • Place of Presentation: 静岡大学
  • Year and Date: 2008-03-19
• [Presentation] DNAマイクロアレイデータ解析に基づいたエタノールストレス耐性を示す酵母菌株の創製 (2008)
  • Author(s): 平沢 敬、吉川勝徳、中倉悠岐、永久圭介、古澤 力、片倉啓雄、塩谷捨明、清水 浩
  • Organizer: 第2回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2008-03-08
• [Presentation] 網羅的ハイスループット解析による大腸菌の遺伝的・環境的変動への応答の解析 (2007)
  • Author(s): 石井伸佳、中東憲治、馬場知哉、Martin Robert、曽我朋義、金井昭夫、平沢 敬、他19名
  • Organizer: 第30回日本分子生物学会年会・第80回日本生化学会大会合同大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2007-12-11
• [Presentation] 浸透圧・エタノールストレス環境下における酵母1遺伝子破壊株の網羅的解析 (2007)
  • Author(s): 吉川勝徳、田中忠昌、永久圭介、平沢 敬、古澤 力、清水 浩
  • Organizer: 第30回日本分子生物学会年会・第80回日本生化学会大会合同大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2007-12-11
• [Presentation] 浸透圧・エタノールストレス環境下における酵母1遺伝子破壊株の網羅的解析 (2007)
  • Author(s): 吉川勝徳、田中忠昌、永久圭介、平沢敬、古澤力、清水浩
  • Organizer: 第30回日本分子生物学会年会・第80回日本生化学会大会合同大会(BMB2007)
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2007-12-11
• [Presentation] ゲノムワイドな網羅的解析を用いた微生物代謝工学の展開 (2007)
  • Author(s): 平沢 敬
  • Organizer: 2007年日本ゲノム微生物学会若手の会
  • Place of Presentation: 八王子セミナーハウス
  • Year and Date: 2007-11-22
• [Presentation] Molecular breeding based on multi-omics analyses. (2007)
  • Author(s): H. Shimizu, T. Hirasawa, K. Nagahisa, K. Yoshikawa, C. Furusawa, S. Shioya.
  • Organizer: Asia Pacific Biochemical Engineering Conference 2007
  • Place of Presentation: メキシコ
  • Year and Date: 2007-11-06
• [Presentation] マルチオミクスによる大腸菌の遺伝・環境変化に対する応答解析 (2007)
  • Author(s): 石井伸佳、中東憲治、馬場知哉、Martin Robert、曽我朋義、金井昭夫、平沢 敬、他19名
  • Organizer: 第二回メタボロームシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2007-11-06
• [Presentation] Multi-omics data reveals the response of Escherichia coli to perturbations. (2007)
  • Author(s): N. Ishii, K. Nakahigashi, T. Baba, M. Robert, T. Soga, A. Kanai, T. Hirasawa, 他19名
  • Organizer: The Eighth International Conference on Systems Biology.
  • Place of Presentation: アメリカ
  • Year and Date: 2007-10-02
• [Presentation] ストレス環境下における酵母の遺伝子破壊株の網羅的解析 (2007)
  • Author(s): 吉川勝徳、田中忠昌、永久圭介、平沢 敬、古澤 力、清水 浩
  • Organizer: 日本生物工学会平成19年度大会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2007-09-25
• [Presentation] ストレス環境下における酵母の遺伝子破壊株の網羅的解析 (2007)
  • Author(s): 吉川勝徳、田中忠昌、永久圭介、平沢敬、古澤力、清水浩
  • Organizer: 第59回日本生物工学会大会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2007-09-25
• [Presentation] DNAマイクロアレイデータを用いた高浸透圧ストレスに対する酵母の遺伝子発現応答の解析 (2007)
  • Author(s): 平沢 敬、芦谷建吾、吉川勝徳、永久圭介、古澤 力、片倉啓雄、塩谷捨明、清水 浩
  • Organizer: 第39回化学工学会秋季大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2007-09-14
• [Presentation] DNAマイクロアレイデータを用いた高浸透圧ストレスに対する酵母の遺伝子発現応答の解析 (2007)
  • Author(s): 平沢 敬、芦谷 建吾、吉川 勝徳、永久 圭介、古澤 力、片倉 啓雄、塩谷 捨明、清水 浩
  • Organizer: 第39回化学工化学会秋大会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2007-09-14
• [Book] ベーシックマスター生化学「第9章 クエン酸回路と電子伝達系」(大山 隆監修 西川一八・清水光弘共編) (2008)
  • Author(s): 平沢 敬
  • Publisher: オーム社
• [Book] ベーシックマスター生化学第9章クエン酸回路と電子伝達系(分担執筆) (2008)
  • Author(s): 平沢敬
  • Total Pages: 20
  • Publisher: オーム社
• [Book] Production of glutamate and glutamate-related amino acids : Molecular mechanism analysis and metabolic engineering.(Volume 5. Amino acid biosynthesis-pathways, regulation and metabolic engineering. Volker F. Wendisch (ed), Springer. pp1-38.) (2007)
  • Author(s): H. Shimizu, T. Hirasawa.
  • Publisher: In Microbiology Monograph.
• [Book] Production of glutamate and glutamate-related amino acids:Molecular mechanism analysis and metabolic engineering. In Microbiology Monograph. Volume 5. Amino acid biosynthesis-pathways, regulation and metabolic engineering. (2007)
  • Author(s): Hiroshi Shimizu, Takashi Hirasawa
  • Total Pages: 38
  • Publisher: Springer Berlin
• [Patent(Industrial Property Rights)] L-グルタミン酸の製造方法 (2007)
  • Inventor(s): 清水 浩、永久圭介、福田洋久、和地正明、平沢 敬
  • Industrial Property Rights Holder: 財団法人地球環境産業技術研究機構
  • Filing Date: 2007
• [Patent(Industrial Property Rights)] L-グルタミン酸の製造方法 (2007)
  • Inventor(s): 清水 浩、永久圭介、福田洋久、平沢 敬、和地正明
  • Industrial Property Rights Holder: 財団法人地球環境産業技術研究機構
  • Industrial Property Number: 2007-330383
  • Filing Date: 2007-12-21