How fast can E. coli grow? - Investigating the efficiency limit of a proliferation system

• Project/Area Number: 20K20301
• Project/Area Number (Other): 17H06254 (2017-2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2017-2019)
• Research Field: Molecular and Genome biology and related fields
• Research Institution: Okayama University (2020); Hokkaido University (2017-2019)
• Principal Investigator: 北原 圭 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 特任准教授 (30567855)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮崎 健太郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究グループ長 (60344123)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥19,760,000 (Direct Cost: ¥15,200,000、Indirect Cost: ¥4,560,000); Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2018: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2017: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 自己増殖能 / 倍加時間 / バクテリア / 培養 / 大腸菌 / 増殖速度 / リボソーム / 分子進化 / バクテリアゲノム / 微生物 / 細菌 / バイオテクノロジー / 進化 / 遺伝子 / 増殖 / 培地

Outline of Research at the Start

生物の際立った特徴の１つは、外部環境から取り込んだ栄養素を元に自己増殖を行う能力（システム）を有することである。この自己増殖能を最大限に発揮しているのは対数増殖期のバクテリアであり、たとえば大腸菌は至適条件下ではわずか20分おきに分裂増殖することが可能である。本研究では、バクテリアの自己増殖能をひとつの化学システムとして捉え、生命現象の根幹である自己増殖システムの効率（最大増殖速度）を極限まで高めることを目的とした実験を行うことを通して、効率的な化学システムとして完成された生物の姿を探求する。

Outline of Annual Research Achievements

代表者は、生物システムを非生物システムから区別する性質である「自己増殖能」を効率性の観点から徹底的に理解することを試みるために本研究を実施している。特に、生命（＝増殖）システムの本質を理解するためには、その化学的な最大効率を明らかにする必要があると考えた。究極的には２分とか３分とかで倍加するような生物を開発することを目指す研究を通じ、「最も生物らしいひとつのシステム」がどのように構築し得るのかについてアプローチしたいと考えている。今年度は昨年度に続き、申請書記載の研究計画を実施するとともに、異なる観点の研究項目も実施した。まず、自然界から増殖速度が大きい（倍加時間が短い）バクテリアを探索する技術を完成させ、複数の高速増殖（分離）株を入手することに成功した。これらの株の内いくつかについて、次世代シーケンサーを用いたゲノム解析を行った。ゲノムの大きさ（長さ）は増殖速度とは相関せず、因子Xと名付けた別の因子が増殖速度の高速化に寄与していることが推測された。今後の研究では、この仮説を検証するための研究を展開したいと考えている。また、本研究では大腸菌の増殖速度を最大限に高めることができる培養条件を既に構築しているが、こちらについても更なる条件検討を行うことにより効率的に大腸菌を増殖させる条件が明らかになってきた。また、培地添加物として培地中に導入すると効果的であるいくつかの成分を特定することができ、それらの添加量も最適化した。なお、バクテリアの増殖に対する律速となるのは、タンパク質合成装置リボソームの主成分であるリボソームRNA (rRNA)の数であることが古くから指摘されている。高速培養条件、あるいは高速増殖株で翻訳系にどのような変化が起きるのかについても併せて検討していく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Complete Genome Sequence of Vibrio rotiferianus Strain AM7 (2020)
  • Author(s): Miyazaki Kentaro、Wiseschart Apirak、Pootanakit Kusol、Kitahara Kei
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 9 Issue: 21
  • DOI: 10.1128/mra.01591-19
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Complete Genome Sequence of Staphylococcus arlettae Strain P2, Isolated from a Laboratory Environment (2019)
  • Author(s): Yu Hiroki、Taniguchi Makoto、Uesaka Kazuma、Wiseschart Apirak、Pootanakit Kusol、Nishitani Yudai、Murakami Yota、Ishimori Koichiro、Miyazaki Kentaro、Kitahara Kei
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 8 Issue: 45 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1128/mra.00696-19
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] What cultivation medium supports the fastest growth of Escherichia coli? (2018)
  • Author(s): Kei Kitahara
  • Organizer: Peking University-Hokkaido University Joint Symposium 2018
  • Int'l Joint Research / Invited