Targeted delivery of bacterial membrane vesicle

• Project/Area Number: 23K26811
• Project/Area Number (Other): 23H02118 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38020:Applied microbiology-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 豊福 雅典 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (30644827)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2026: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: メンブレンベシクル / バクテリア / 細胞間相互作用 / 細菌間相互作用 / 分泌 / 細菌 / 物質輸送

Outline of Research at the Start

細菌が放出するMVはその生産菌と受け手との間に”相性”があることが分かっている。MVの機能性の理解には、この相性を解明し、どのような細胞にどれほどMVが届くのかを理解する必要がある。申請者らは、これまでに、MVを介して細胞間シグナル伝達が行われる現象を見出した。興味深いことに、ある種の細菌が産生するMVは他の属の細菌には付着性が低く、同属の細菌に特異的に輸送され、シグナルを受け渡すことを明らかにした。しかしながら、そのメカニズムは未解明のままである。そこで、本研究では、「MVがどのようにして細胞特異的に伝達されるのか」を明らかにすることを目的とし、MVの機能性の理解に繋げることにした。

Outline of Annual Research Achievements

ほとんどの細菌は、細胞外に数十から数百nmの膜小胞(メンブレンベシクル:MV)を放出することが明らかになっている。MVの様々な潜在的な機能が明らかになっているが、MVの機能が発揮される度合い、すなわち「機能性」の理解は進んでいない。その理解には、MVの積荷輸送プロセスの解明が必須である。研究代表者は、これまでに、MVが特定の細菌群にのみ付着し、作用する、「細胞特異性」を有することを見出した。
本研究では、MVが細胞特異的に働くメカニズムについて、その詳細なプロセスと分子基盤の理解を目指すことで、MVの機能性の理解に繋げることにした。MVによる細胞特異的な物質輸送の解明は、MVの機能性の真の理解に貢献し、MVを利用するための新たな糸口を提供することが期待される。
2023年度は、MVの細胞特異的な受け渡しに関わる遺伝子を網羅的にスクリーニングするための基盤解析技術を構築した。そのために、MVを受け取った細胞に選択圧がかかるような物質をMVに封入する技術を構築した。その条件検討を行い、スクリーニングを行うのに、最適な条件を検討した。その条件検討をもとにして、スクリーニングを行った。スクリーニングのために、Tnミュータントライブラリーも構築した。スクリーニングの結果、MVの受け渡しを促進する因子および抑制する因子の候補が得られた。
来年度以降も、引き続きスクリーニングを行い、候補遺伝子を選抜していく。

Current Status of Research Progress

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

Reason

MVの細胞特異的な受け渡しを解析するための、基盤技術を構築した。これによって、変異株ライブラリーを活用したスクリーニングが可能となった。すでにスクリーニングを開始しており、いくつかの候補遺伝子を選抜できている。現在でもスループット性は高いが、今後さらなる改良も見込んでおり、おおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

引き続きスクリーニングを行い、MVの細胞特異性に関係する遺伝子を同定していく。スクリーニングによって選抜した遺伝子に関しては、遺伝子破壊株の作製を通して、表現型を解析し、MVの細胞特異的な受け渡し機構の解明に繋げる。

Research Products

• [Journal Article] Colony-Based Electrochemistry Reveals Electron Conduction Mechanisms Mediated by Cytochromes and Flavins in Shewanella oneidensis (2024)
  • Author(s): Tokunou Yoshihide、Tongu Hiromasa、Kogure Yugo、Okamoto Akihiro、Toyofuku Masanori、Nomura Nobuhiko
  • Journal Title: Environmental Science and Technology Volume: 58 Issue: 10 Pages: 4670-4679
  • DOI: 10.1021/acs.est.4c00007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mucosal adjuvanticity and mucosal booster effect of colibactin-depleted probiotic <i>Escherichia coli</i> membrane vesicles (2024)
  • Author(s): Uchiyama Hiroki、Kudo Toshifumi、Yamaguchi Takehiro、Obana Nozomu、Watanabe Kenji、Abe Kimihiro、Miyazaki Hidetaka、Toyofuku Masanori、Nomura Nobuhiko、Akeda Yukihiro、Nakao Ryoma
  • Journal Title: Human Vaccines &amp; Immunotherapeutics Volume: 20 Issue: 1 Pages: 2337987-2337987
  • DOI: 10.1080/21645515.2024.2337987
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Composition and functions of bacterial membrane vesicles (2023)
  • Author(s): Toyofuku Masanori、Schild Stefan、Kaparakis-Liaskos Maria、Eberl Leo
  • Journal Title: Nature Reviews Microbiology Volume: in press Issue: 7 Pages: 415-430
  • DOI: 10.1038/s41579-023-00875-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Intracellular Phage Tail-Like Nanostructures Affect Susceptibility of Streptomyces lividans to Osmotic Stress (2023)
  • Author(s): Nagakubo Toshiki、Asamizu Shumpei、Yamamoto Tatsuya、Kato Manami、Nishiyama Tatsuya、Toyofuku Masanori、Nomura Nobuhiko、Onaka Hiroyasu
  • Journal Title: mSphere Volume: - Issue: 3 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1128/msphere.00114-23
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Iron delivery through membrane vesicles in Corynebacterium glutamicum (2023)
  • Author(s): Kayuki Kawashima (equal contribution), Toshiki Nagakubo (equal contribution), Nobuhiko Nomura, Masanori Toyofuku
  • Journal Title: Microbiology Spectrum Volume: in press Issue: 3 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1128/spectrum.01222-23
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Denitrification in low oxic environments increases the accumulation of nitrogen oxide intermediates and modulates the evolutionary potential of microbial populations (2023)
  • Author(s): Takahashi Kohei、Oshiki Mamoru、Ruan Chujin、Morinaga Kana、Toyofuku Masanori、Nomura Nobuhiko、Johnson David R.
  • Journal Title: Environmental Microbiology Reports Volume: 16 Issue: 1 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1111/1758-2229.13221
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genotoxic stress stimulates eDNA release via explosive cell lysis and thereby promotes streamer formation of Burkholderia cenocepacia H111 cultured in a microfluidic device (2023)
  • Author(s): Heredia-Ponce Zaira、Secchi Eleonora、Toyofuku Masanori、Marinova Gabriela、Savorana Giovanni、Eberl Leo
  • Journal Title: npj Biofilms and Microbiomes Volume: 9 Issue: 1 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1038/s41522-023-00464-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Towards engineering bacterial membrane vesicles (2024)
  • Author(s): Masanori Toyofuku
  • Organizer: 日本農芸化学会
  • Invited
• [Presentation] Quantal secretion through bacterial membrane vesicles (2023)
  • Author(s): Masanori Toyofuku
  • Organizer: 8.499th Symposium on Sustainable Humanosphere: Microbial metabolites in deep sea and soil
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細菌の細胞外膜小胞を介した相互作用 (2023)
  • Author(s): 豊福雅典
  • Organizer: 第27回腸内細菌学会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞外膜小胞を介した微生物間相互作用 (2023)
  • Author(s): 豊福雅典
  • Organizer: 第55回ビブリオシンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 膜小胞からのメッセージを読み解く (2023)
  • Author(s): 豊福雅典
  • Organizer: 第36回日本微生物生態学会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/alumni.tsukuba.ac.jp/masatoyofuku