Genome editing-based construction of mass production platform for natural products in Aspergillus oryzae

• Project Area: Creation of Complex Functional Molecules by Rational Redesign of Biosynthetic Machineries
• Project/Area Number: 19H04644
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 丸山 潤一 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任准教授 (00431833)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 麹菌 / ゲノム編集 / 糸状菌 / 天然物 / 二次代謝 / 2次代謝

Outline of Research at the Start

研究代表者らが確立した麹菌の高効率多重遺伝子改変を可能とするゲノム編集技術CRISPR/Cas9システムを活用し、天然物を高生産する麹菌を開発する。代謝経路の大規模改変による天然物の高生産、天然物の生産性向上に有用な転写因子の解明、麹菌全遺伝子に対する変異導入による高生産に関与する遺伝子の探索を行う。以上の知見をにゲノム編集により1つの株に集約することで稀少な天然物を大量につくる麹菌の育種を行い、生合成研究の効率化や医薬などの大量供給に貢献するプラットフォームを構築することを目的とした。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、研究代表者らが麹菌Aspergillus oryzaeにおいて確立したゲノム編集CRISPR/Cas9システムによる高効率の多重遺伝子改変技術を活用して、異種天然物を高生産する麹菌の開発を目的とした。
糸状菌由来のテルペンを対象として、異種天然物生合成につながる代謝経路について多重遺伝子改変を行った。研究代表者らはゲノム編集を利用した多重遺伝子破壊技術に加えて、特定の染色体部位に遺伝子を繰り返し導入することが可能な多重遺伝子導入技術を開発した。テルペン合成に関連するアセチルCoA供給やエルゴステロール生合成の経路において、5つの代謝関連遺伝子の破壊および導入による多重改変を行った結果、異種天然物の生産量が約6倍まで増加した。多重代謝改変による異種天然物の大幅な生産性向上は、糸状菌でこれまで報告されていない顕著な成果である。
また、糸状菌の分化と二次代謝との関連に着目して、天然物の生産性向上に有用な分化制御因子の探索を行った。その結果、研究代表者らがこれまでに同定している分化制御因子のなかから、欠損によって異種天然物の生産量が約2.5倍増加する因子を見いだした。分化制御因子の欠損による異種天然物の高生産を示したことは、糸状菌において初めてである。
以上から、ゲノム編集技術を利用した効率的な多重遺伝子改変により、異種天然物の生産性向上に成功したことで、異種天然物を高生産する麹菌を開発する目標を概ね達成した。今後、異種天然物を大量に生産して供給する麹菌を利用して「稀少なものを大量につくる」ことにより、生合成研究の効率化や医薬など有用化合物の大量供給に貢献することが期待される。

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] Georg-August University, Gottingen(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Maynooth University, Maynooth(アイルランド)
• [Journal Article] Novel Fus3- and Ste12-interacting protein FsiA activates cell fusion-related genes in both Ste12-dependent and -independent manners in Ascomycete filamentous fungi (2021)
  • Author(s): Takuya Katayama, Ozgur Bayram, Taoning Mo, Betim Karahoda, Oliver Valerius, Daigo Takemoto, Gerhard H Braus, Katsuhiko Kitamoto, Jun-ichi Maruyama
  • Journal Title: Molecular Microbiology Volume: 115 Issue: 4 Pages: 723-738
  • DOI: 10.1111/mmi.14639
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biosynthesis of Cyclochlorotine: Identification of the Genes Involved in Oxidative Transformations and Intramolecular O,N-Transacylation (2021)
  • Author(s): Jiang Yulu、Ozaki Taro、Liu Chengwei、Igarashi Yuya、Ye Ying、Tang Shoubin、Ye Tao、Maruyama Jun-ichi、Minami Atsushi、Oikawa Hideaki
  • Journal Title: Organic Letters Volume: 23 Issue: 7 Pages: 2616-2620
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.1c00525
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 麹菌をはじめとする醸造微生物のゲノム編集とその可能性 (2021)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Journal Title: 最新のゲノム編集技術と用途展開 Volume: － Pages: 84-91
• [Journal Article] ゲノム編集技術による有用物質生産麹菌株の開発とその課題解決 (2021)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Journal Title: ゲノム編集技術の産業応用技術 Volume: －
• [Journal Article] Functional production of human antibody by the filamentous fungus Aspergillus oryzae (2020)
  • Author(s): Huynh Hung Hiep、Morita Naoki、Sakamoto Toshihiro、Katayama Takuya、Miyakawa Takuya、Tanokura Masaru、Chiba Yasunori、Shinkura Reiko、Maruyama Jun-ichi
  • Journal Title: Fungal Biology and Biotechnology Volume: 7 Issue: 1 Pages: 7-7
  • DOI: 10.1186/s40694-020-00098-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A CRISPR/Cas9-mediated gene knockout system in Aspergillus luchuensis mut. kawachii (2020)
  • Author(s): Chihiro Kadooka, Masaaki Yamaguchi, Kayu Okutsu, Yumiko Yoshizaki, Kazunori Takamine, Takuya Katayama, Jun-Ichi Maruyama, Hisanori Tamaki, Taiki Futagami
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 84 Issue: 10 Pages: 2179-2183
  • DOI: 10.1080/09168451.2020.1792761
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biosynthesis of Indole Diterpene Lolitrems: Radical-Induced Cyclization of an Epoxyalcohol Affording a Characteristic Lolitremane Skeleton (2020)
  • Author(s): Yulu Jiang, Taro Ozaki, Mei Harada, Tadachika Miyasaka, Hajime Sato, Kazunori Miyamoto, Junichiro Kanazawa, Chengwei Liu, Jun-ichi Maruyama, Masaatsu Adachi, Atsuo Nakazaki, Toshio Nishikawa, Masanobu Uchiyama, Atsushi Minami, Hideaki Oikawa
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 59 Issue: 41 Pages: 17996-18002
  • DOI: 10.1002/anie.202007280
  • NAID: 120007160289
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discovery of the 2,4'-dihydroxy-3'-methoxypropiophenone biosynthesis genes in Aspergillus oryzae (2020)
  • Author(s): Eiichiro Kan, Hiroya Tomita, Yohei Katsuyama, Jun-Ichi Maruyama, Yasuji Koyama, Yasuo Ohnishi
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 22 Issue: 1 Pages: 203-211
  • DOI: 10.1002/cbic.202000505
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 麹菌の細胞融合にともなう不和合性の発見とその制御機構の研究 (2020)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 4 Pages: 75-80
  • NAID: 40022399522
• [Journal Article] Efficient heterologous production of atrochrysone carboxylic acid-related polyketides in an <i>Aspergillus oryzae</i> host with enhanced malonyl-coenzyme A supply (2020)
  • Author(s): Eiichiro Kan, Yohei Katsuyama, Jun-ichi Maruyama, Koichi Tamano, Yasuji Koyama, Yasuo Ohnishi
  • Journal Title: The Journal of General and Applied Microbiology Volume: 66 Issue: 3 Pages: 195-199
  • DOI: 10.2323/jgam.2019.07.001
  • NAID: 130007891106
  • ISSN: 0022-1260, 1349-8037
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel Pezizomycotina-specific protein with gelsolin domains regulates contractile actin ring assembly and constriction in perforated septum formation (2020)
  • Author(s): Md. Abdulla Al Mamun, Takuya Katayama, Wei Cao, Shugo Nakamura, Jun‐ichi Maruyama
  • Journal Title: Molecular Microbiology Volume: 113 Issue: 5 Pages: 964-982
  • DOI: 10.1111/mmi.14463
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 麹菌における多様な醸造実用株の機能開発を可能とするゲノム編集育種 (2019)
  • Author(s): 丸山 潤一、片山 琢也
  • Journal Title: 生物工学会誌 Volume: 97 Pages: 203-206
• [Journal Article] 富山県産大麦麦芽から分離した酵母菌株「とやま産まれの酵母」の清酒醸造特性 (2019)
  • Author(s): 尾仲 宏康, 丸山 潤一, 浅水 俊平, 黒岩 真弓, 北本 勝ひこ, 山田 雅人, 五島 徹也, 赤尾 健
  • Journal Title: 日本醸造協会誌 Volume: 114 Pages: 645-653
  • NAID: 40022055604
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Production of the plant polyketide curcumin in Aspergillus oryzae: strengthening malonyl-CoA supply for yield improvement (2019)
  • Author(s): Eiichiro Kan, Yohei Katsuyama, Jun-ichi Maruyama, Koichi Tamano, Yasuji Koyama, Yasuo Ohnishi
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 83 Issue: 7 Pages: 1372-1381
  • DOI: 10.1080/09168451.2019.1606699
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ascomycota Aspergillus oryzae is an efficient expression host for production of Basidiomycota terpenes using genomic DNA sequences (2019)
  • Author(s): Shota Nagamine, Chengwei Liu, Jumpei Nishishita, Takuto Kozaki, Kaho Sogahata, Yoshiro Sato, Atsushi Minami, Taro Ozaki, Claudia Schmidt-Dannert, Jun-ichi Maruyama, Hideaki Oikawa
  • Journal Title: Applied and Environmental Microbiology Volume: 85 Issue: 15
  • DOI: 10.1128/aem.00409-19
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genome editing to generate nonfoam-forming sake yeast strains (2019)
  • Author(s): Shinsuke Ohnuki, Mao Kashima, Toshikazu Yamada, Farzan Ghanegolmohammadi, Yan Zhou, Tetsuya Goshima, Jun-ichi Maruyama, Katsuhiko Kitamoto, Dai Hirata, Takeshi Akao, Yoshikazu Ohya
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 83 Issue: 8 Pages: 1583-1593
  • DOI: 10.1080/09168451.2019.1631146
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficient reconstitution of Basidiomycota diterpene erinacine gene cluster in Ascomycota host Aspergillus oryzae based on genomic DNA sequences (2019)
  • Author(s): Liu, C., Minami, A., Ozaki, T., Wu, J., Kawagishi, H., Maruyama, J., Oikawa, H.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 141 Issue: 39 Pages: 15519-15523
  • DOI: 10.1021/jacs.9b08935
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 麹菌による異種天然物生産における分化制御因子の改変の効果 (2021)
  • Author(s): 原中 実穂、齋藤 直也、片山 琢也、南 篤志、及川 英秋、丸山 潤一
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 麹菌におけるゲノム編集を利用した代謝遺伝子多重導入による異種天然物生産性の向上 (2021)
  • Author(s): 齋藤 直也、片山 琢也、南 篤志、及川 英秋、丸山 潤一
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 麹菌Aspergillus oryzaeが有する特異的な染色体領域の発見とゲノム編集技術CRISPR/Cas9による大規模欠損 (2021)
  • Author(s): 知見 悠太、山口 勝司、齋藤 直也、片山 琢也、重信 秀治、丸山 潤一
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] コレステロール生合成阻害剤phomoidride Bの生合成研究 (2) (2021)
  • Author(s): 山本 真太郎、尾﨑 太郎、劉 成偉、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 担子菌由来抗腫瘍物質melleolideの全生合成 (2021)
  • Author(s): 尾関 美衣菜、長嶺 翔太、尾﨑 太郎、河岸 洋和、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 糸状菌由来酸無水物二量体phomoidride Bの生合成研究 (2) (2021)
  • Author(s): 山本 真太郎、尾﨑 太郎、劉 成偉、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] Biosynthesis study of mycotoxin cyclochlorotine (2021)
  • Author(s): Yulu Jiang, Taro Ozaki, Chengwei Liu, Yuya Igarashi, Ying Ye, Jun-ichi MARUYAMA, Atsushi Minami, Hideaki Oikawa
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] Genome editing-facilitated strain development in the industrial filamentous fungus Aspergillus oryzae (2020)
  • Author(s): Jun-ichi MARUYAMA
  • Organizer: International Union of Microbiological Societies (IUMS) 2020, Daejeon, Korea-Virtual Congresses
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ゲノム編集が変える麹菌の研究と機能開発 (2020)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Organizer: 第198回酵母細胞研究会例会
  • Invited
• [Presentation] 黄麹菌の細胞融合と不和合性の生物学～有性生殖による交配育種の実現に向けて (2020)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Organizer: 日本農芸化学会北海道支部／日本栄養・食糧学会北海道支部合同学術講演会
  • Invited
• [Presentation] ゲノム編集による高効率遺伝子導入法を用いたテルペン系カビ毒PR-toxinの生合成研究(2) (2020)
  • Author(s): 佐藤 芳郎、瀧野 純矢、劉 成偉、尾﨑 太郎、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] ゲノム編集を用いた糸状菌由来セスキテルペンの異種生産 (2020)
  • Author(s): 水野上 裕亮、瀧野 純矢、尾﨑 太郎、劉 成偉、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] 糸状菌由来酸無水物二量体phomoidride Bの生合成研究 (2020)
  • Author(s): 山本 真太郎、尾﨑 太郎、劉 成偉、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] キノコ由来テルペン系天然物の生合成研究 (2020)
  • Author(s): 西下 純平、長嶺 翔太、尾﨑 太郎、劉 成偉、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] 異種発現系を用いた担子菌由来メレオライド類の生合成研究（３） (2020)
  • Author(s): 長嶺 翔太、南 篤志、劉 成偉、尾﨑 太郎、丸山 潤一、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] 担子菌由来ジテルペン系化合物erinacineの全生合成 (2020)
  • Author(s): 小谷 明里、劉 成偉、尾﨑 太郎、呉 静、河岸 洋和、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] Studies on the oxidative cyclization of indole diterpene lolitrems (2020)
  • Author(s): Yulu JIANG, Taro OZAKI, Chengwei LIU, Jun-ichi MARUYAMA, Atsushi MINAMI, Hideaki OIKAWA
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] 麹菌におけるゲノム編集を利用した多重代謝改変による異種天然物生産性の向上 (2020)
  • Author(s): 齋藤 直也、片山 琢也、南 篤志、及川 英秋、丸山 潤一
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] とやま産まれの酵母」による実地醸造と清酒醸造特性 (2020)
  • Author(s): 尾仲 宏康、丸山 潤一、浅水 俊平、山田 雅人、五島 徹也、赤尾 健
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 担子菌由来テルペン系天然物の異種生産 (2020)
  • Author(s): 西下 純平、長嶺 翔太、尾崎 太郎、劉 成偉、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 担子菌由来ジテルペンerinacine 生合成経路の解明と効率的再構築 (2020)
  • Author(s): 小谷 明里、劉 成偉、尾﨑 太郎、呉 静、河岸 洋和、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 麹菌異種発現系を用いたPR-toxinの生合成研究 (2020)
  • Author(s): 佐藤 芳郎、瀧野 純矢、劉 成偉、尾﨑 太郎、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] Biosynthesis Study of Indole Diterpene Lolitrems and its Structural Diversification (2020)
  • Author(s): Yulu JIANG，Taro OZAKI，Chengwei LIU，Jun-ichi MARUYAMA，Atsushi MINAMI，Hideaki OIKAWA
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] ゲノム編集育種による麹菌における天然物大量生産プラットフォームの構築 (2019)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Organizer: 科学研究費補助金 新学術領域研究（研究領域提案型）生物合成系の再設計による複雑骨格機能分子の革新的創成科学、第６回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ゲノム編集が拓く糸状菌の世界～麹菌の遺伝的多様性と自在な産業株育種の可能性～ (2019)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Organizer: 微生物ウィーク2019
  • Invited
• [Presentation] “麹菌”日本の食に欠かせない微生物-その研究が解き明かす未知なる世界と可能性- (2019)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Organizer: 公益財団法人 野田産業科学研究所 第28回バイオテクノロジー教室講演会
  • Invited
• [Presentation] Cell fusion and heterokaryon incompatibility: Variety of Aspergillus oryzae industrial strains used in Japanese traditional food fermentation (2019)
  • Author(s): Jun-ichi MARUYAMA
  • Organizer: Asian Mycological Congress 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 麹菌Aspergillus oryzaeの細胞機能と育種に関する基盤的研究 (2019)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Organizer: 令和元年度日本醸造学会大会
  • Invited
• [Presentation] ゲノム編集を利用した物質生産麹菌の多重代謝改変育種 (2019)
  • Author(s): 丸山 潤一
  • Organizer: 令和元年度（2019年度）遺伝研研究会
  • Invited
• [Presentation] Cellular potentials and genome editing-guided future of Aspergillus oryzae, the fungus used for Japanese traditional food fermentation (2019)
  • Author(s): Jun-ichi MARUYAMA
  • Organizer: Pasteur Institute Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Microbiological Investigation for Future Brewing Innovation (2019)
  • Author(s): Jun-ichi MARUYAMA
  • Organizer: Bordeaux - Tokyo Joint Workshop, Micro and nano-technologies for neuroscience, chemical engineering, and material characterization
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 東京大学大学院農学生命科学研究科 醸造微生物学（キッコーマン）寄付講座ホームページ
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/Brew-Microbio/