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2016 Fiscal Year Annual Research Report

プロトン駆動力による細胞内代謝制御

Planned Research

Project AreaNew Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
Project/Area Number 16H06559
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

清水 浩  大阪大学, 情報科学研究科, 教授 (00226250)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小山内 崇  明治大学, 農学部, 専任講師 (60512316)
Project Period (FY) 2016-06-30 – 2021-03-31
Keywordsゲノムスケールモデル / システム生物学 / 光合成
Outline of Annual Research Achievements

食糧やエネルギー問題を解決するため、植物や藻類の「光合成の改良」は重要な課題である。現存の光合成生物は進化を遂げた局所環境に適応してプロトン駆動力によって「光エネルギーの効率的利用」と「過剰光からの防御」のバランスを調節している。本研究では、ゲノムスケール代謝モデル(GMM)の開発と光合成のシステム解析を行い、光合成をシステムとして統合理解することを目的とする。本計画班では、シアノバクテリアを実験材料に用い、光合成の素反応因子、環境に対する制御因子および光合成のメカニズム解明の成果を統合理解するシステムを開発し、光合成のシステム再最適化のための戦略立案を行うことを目的とする。また、各研究班の成果を盛り込んで光合成をシステムとして理解する道筋を明らかにする。
本年度は、シアノバクテリアSynechocystis sp. PCC6803野生株(GT)株の光合成および主要な代謝反応の情報を含み細胞全体を表現するゲノムスケールモデル(GMM)の開発を行った。主要な代謝経路の反応の大きさ、光合成における受光や電子伝達を代謝フラックス(反応の大きさ)という形で細胞全体に統一的に解析が可能なモデル構築の基盤整備を行った。反応の大きさどうしの関係を記述できる化学量論を導入し、光合成活性と細胞全体の生命活動が見渡せるモデルとして記述する方法を開発していく。
また、転写制御因子を改変した株の光合成活性を測定すると同時に、細胞全体に関わる遺伝子発現、タンパク質、代謝の様態を統合的に解析し、光合成と光合成以外の細胞機能の相関関係を明らかにすることで光の強さに応答して変化する光合成のシステム的理解を深めることを目的としておりそのための基盤整備を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本計画班においては、光化学系の明反応と細胞の中枢代謝を見渡せるシステム生物学研究を展開する。本年度はゲノムスケール代謝モデル開発の基盤整備、代謝物質やタンパク質の定量解析を開始している。また、代謝酵素の生化学解析や転写制御因子の欠損株や強発現株の培養を行って、データを取得しており、順調に研究は進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後は、シアノバクテリアSyn sp. PCC6803野生株(GT)株の光合成および主要な中枢代謝反応の情報を含み細胞全体を表現するゲノムスケールモデル(GMM)を光化学系の反応を詳細に記述する形で開発を進める。「プロトン駆動力の大きさと成分の調節」に関する最新の情報を代謝フラックスという観点で統一的に扱いモデルに組み込んでいく方法について、知見を今後導入可能な形で開発していく。また、定量プロテオーム解析、代謝物資と測定を行って、光合成と中枢代謝の関係を明らかにする。

  • Research Products

    (20 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Acknowledgement Compliant: 7 results,  Open Access: 4 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Metabolic engineering of Synechocystis sp. PCC 6803 for enhanced ethanol production based on flux balance analysis2017

    • Author(s)
      Katsunori Yoshikawa, Yoshihiro Toya, Hiroshi Shimizu
    • Journal Title

      Bioprocess and Biosystems Engineering

      Volume: 40 Pages: 1-6

    • DOI

      10.1007/s00449-017-1744-8

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] ACR11 is an activator of plastid-type glutamine synthetase GS2 in Arabidopsis thaliana2017

    • Author(s)
      Takashi Osanai, Ayuko Kuwahara, Hitomi Otsuki, Kazuki Saito, Masami Yokota Hirai
    • Journal Title

      Plant & Cell Physiology

      Volume: 58 Pages: 650-657

    • DOI

      10.1093/pcp/pcx033

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Editorial: biotechnology of microalgae, based on molecular biology and biochemistry of eukaryotic algae and cyanobacteria2017

    • Author(s)
      Takashi Osanai, Youn-Il Park, Yuki Nakamura
    • Journal Title

      Frontiers in Microbiology

      Volume: 8 Pages: 118

    • DOI

      10.3389/fmicb.2017.00118.

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Allosteric inhibition of phosphoenolpyruvate carboxylases is determined by a single amino acid residue in cyanobacteria2017

    • Author(s)
      Masahiko Takeya, Masami Yokota Hirai, Takashi Osanai
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7 Pages: 41080

    • DOI

      10.1038/srep41080.

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Metabolic flux analysis of Synechocystis sp. PCC6803 ΔnrtABCD mutant reveals a mechanism for metabolic adaptation to nitrogen-limited conditions2016

    • Author(s)
      Tsubasa Nakajima, Katsunori Yoshikawa, Yoshihiro Toya, Fumio Matsuda, and Hiroshi Shimizu
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 58 Pages: 537-545

    • DOI

      10.1093/pcp/pcx047

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Combinatorial deletions of glgC and phaCE enhance ethanol production in Synechocystis sp. PCC 68032016

    • Author(s)
      Katsunori Namakoshi, Tubasa Nakajima, Katsunori Yoshikawa, Yoshihiro Toya, Hiroshi Shimizu
    • Journal Title

      Journal of Biotechnology

      Volume: 239 Pages: 13-19

    • DOI

      10.1016/j.jbiotec.2016.09.016

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Succinate and lactate production from Euglena gracilis during dark, anaerobic conditions2016

    • Author(s)
      Yuko Tomita, Kazumasa Yoshioka, Hiroko Iijima, Ayaka Nakashima, Osamu Iwata, Kengo Suzuki, Tomohisa Hasunuma, Akihiko Kondo, Masami Yokota Hirai, Takashi Osanai
    • Journal Title

      Frontiers in Microbiology

      Volume: 7 Pages: 2050

    • DOI

      10.3389/fmicb.2016.02050.

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Anionic metabolite biosynthesis enhanced by potassium under dark, anaerobic conditions in cyanobacteria2016

    • Author(s)
      Sakiko Ueda, Yuhki Kawamura, Hiroko Iijima, Mitsuharu Nakajima, Tomokazu Shirai, Mami Okamoto, Akihiko Kondo, Masami Yokota Hirai, Takashi Osanai
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 6 Pages: 32354

    • DOI

      10.1038/srep32354.

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 光合成微生物の化学量論モデルを利用したシミュレーションとその応用2017

    • Author(s)
      戸谷吉博,吉川勝徳,松田史生,清水浩
    • Organizer
      第58回日本植物生理学会年会
    • Place of Presentation
      鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島県鹿児島市)
    • Year and Date
      2017-03-16 – 2017-03-18
  • [Presentation] シグマ因子SigEによるSynechocystis sp. PCC 6803のプロテオームの制御2017

    • Author(s)
      徳丸雄磨, 植林希代加, 小山内崇, 松田史生, 清水浩
    • Organizer
      第58回日本植物生理学会年会
    • Place of Presentation
      鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島県鹿児島市)
    • Year and Date
      2017-03-16 – 2017-03-18
  • [Presentation] 代謝物濃度の絶対定量値を用いたエタノール生産シアノバクテリア代謝律速点の解析2017

    • Author(s)
      西口大貴, 永井暉, 松田史生, 清水浩
    • Organizer
      第58回日本植物生理学会年会
    • Place of Presentation
      鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島県鹿児島市)
    • Year and Date
      2017-03-16 – 2017-03-18
  • [Presentation] Integration of in silico design and experimental evaluation of metabolic pathways for creation of microbial cell factories,2016

    • Author(s)
      Hiroshi Shimizu
    • Organizer
      International Conference on the Metabolic Science,
    • Place of Presentation
      Nanjiao Hotel, Shanghai China,
    • Year and Date
      2016-10-20 – 2016-10-23
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 代謝物濃度絶対定量によるシアノバクテリア代謝律速点の解析2016

    • Author(s)
      西口大貴, 永井 暉, 松田 史生, 清水 浩
    • Organizer
      第10回メタボロームシンポジウム
    • Place of Presentation
      鶴岡メタボロームキャンパス(山形県鶴岡市)
    • Year and Date
      2016-10-19 – 2016-10-21
  • [Presentation] 13C-metabolic flux analysis for rational design of metabolic pathway modification of the industrially useful microorganisms2016

    • Author(s)
      Hiroshi Shimizu
    • Organizer
      The 13th International Symposium on the Genetics of Industrial Microorganisms
    • Place of Presentation
      East Lake Hotel, Wuhan, China
    • Year and Date
      2016-10-16 – 2016-10-20
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 糖代謝遺伝子の分子系統と発現制御の解析2016

    • Author(s)
      竹屋壮浩, 小山内崇
    • Organizer
      日本植物学会第80回大会
    • Place of Presentation
      沖縄コンベンションセンター(沖縄県宜野湾市)
    • Year and Date
      2016-09-16 – 2016-09-18
  • [Presentation] シアノバクテリアの時計関連遺伝子rpaA過剰発現による光合成の改変2016

    • Author(s)
      有坂聡美, 小山内崇
    • Organizer
      日本植物学会第80回大会
    • Place of Presentation
      沖縄コンベンションセンター(沖縄県宜野湾市)
    • Year and Date
      2016-09-16 – 2016-09-18
  • [Presentation] Euglena gracilisにおける好気 / 嫌気条件下での一次代謝産物の変化2016

    • Author(s)
      冨田結芙子, 小山内崇
    • Organizer
      日本植物学会第80回大会
    • Place of Presentation
      沖縄コンベンションセンター(沖縄県宜野湾市)
    • Year and Date
      2016-09-16 – 2016-09-18
  • [Book] BIOTECHNOLOGY, Wiley-VCH book series, Weinheim, Vol 5: Applied Bioengineering: Innovations and Future Directions, Chapter 7, Omics integrations for the state analysis of microbial processes2017

    • Author(s)
      Hiroshi Shimizu, Chikara Fursawa, Takashi Hirasawa, Katsunori Yoshikawa, Yoshihiro Toya, Tomokazu Shirai, and Fumio Matsuda
    • Total Pages
      36
    • Publisher
      Wiley-VCH
  • [Remarks] 清水浩研究室

    • URL

      http://www-shimizu.ist.osaka-u.ac.jp/hp/index.html

  • [Remarks] 新光合成 光エネルギー変換システムの再最適化

    • URL

      http://photosynthesis.nibb.ac.jp/index.html

URL: 

Published: 2018-01-16  

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