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Prediction and experimental verification of optimal mutation rate in bacterial evolution

Research Project

Project/Area Number 19K16114
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 43060:System genome science-related
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

Shibai Atsushi  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (40823620)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords実験進化 / 大腸菌
Outline of Research at the Start

本研究は細菌の最適な突然変異率が決まる仕組みを、実験進化とモデルとの比較を通して明らかにするものである。まず、大腸菌の変異率を様々に操作し、実験進化を行って変異率と進化速度の関係を示す。その実験結果を数理モデルと比較し、変異率と進化速度との関係を決定するメカニズムを解明する。

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to demonstrate and understand the trade-off between bacterial mutation rates and evolutionary speed. The evolutionary speeds were quantified by the experimental evolution of E. coli with various mutation rates in the environments treated with growth inhibitors. As a material for the evolution experiment, E. coli strains with various mutation rates were prepared by deleting the DNA repair genes of E. coli. As a result, we obtained strains with mutation rates much higher than that of the wild type. The growth rates of these strains were then measured to reveal the growth-inhibitory effects of higher mutation rates. And the experiment evolution using various growth inhibitors was carried out by an automated experimental evolution system. We then succeeded in experimentally observing the peak of evolutionary speed versus mutation rate.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

細菌にとって変異率が高いほど薬剤へ適応するための有益変異は多く生ずるはずであるが、同時に有害な作用を持つ変異による増殖阻害の効果もあるため、これらの間のトレードオフ関係が予想される。本研究では実験と並行してこのトレードオフの関係に基づくトイモデルを提唱した。そして、いろいろな作用機序からなる抗生物質での実験進化の結果と組み合わせ、殺菌剤よりも静菌剤のほうがよりよくフィットすることを明らかにした。これにより、当該のモデルの蓋然性や適用条件についても担保することができた。本研究の成果は適応進化の理解のみならず、人工進化の高速化や病原性細菌の薬剤耐性進化の抑制などを可能にするポテンシャルを有する。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2020 2019

All Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Presentation] 大腸菌の種内進化において高発現遺伝子への純化選択は緩和されている2020

    • Author(s)
      芝井厚、古澤力、津留三良
    • Organizer
      第12回生命情報科学若手の会・研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 高変異率の大腸菌長期実験進化から遺伝子進化速度の一般法則を探る2020

    • Author(s)
      芝井厚、古澤力、津留三良
    • Organizer
      日本進化学会第22回大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 適応度地形の動的変化を通した細菌進化のフィードバック制御の試み2019

    • Author(s)
      芝井厚,古澤力
    • Organizer
      日本進化学会第21回大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Feedback control of evolutionary trajectory of bacterial cells on fitness landscape2019

    • Author(s)
      Atsushi SHIBAI, Chikara Furusawa
    • Organizer
      ICSB2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ストレス条件と耐性獲得との関係に基づく細菌進化のフィードバック制御2019

    • Author(s)
      芝井厚,古澤力
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 自動培養系を用いた細菌実験進化のフィードバック制御の試み2019

    • Author(s)
      芝井厚,古澤力
    • Organizer
      第11回生命情報科学若手の会・研究会
    • Related Report
      2019 Research-status Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2022-01-27  

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