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2016 Fiscal Year Research-status Report

大腸菌進化実験を用いた環境適応ネットワークの構成的理解

Research Project

Project/Area Number 15KT0085
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

古澤 力  国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, チームリーダー (00372631)

Project Period (FY) 2015-07-10 – 2018-03-31
Keywords環境適応ネットワーク / 大腸菌 / 進化実験
Outline of Annual Research Achievements

生物システムは動的に変化する環境条件に対し、柔軟にその内部状態を変化させることによって適応をする能力を持つ。近年の分子生物学の発展は、その適応に関与する多くの要素を同定した一方で、こうした複数の構成要素からなる環境適応ネットワークが、進化の過程によってどのように出現したかについては、不明な点が多く残されている。そこで本研究では、多数の異なる環境下での大腸菌進化実験を行い、その進化ダイナミクスをトランスクリプトーム解析やゲノム変異解析によって定量する。そうした定量データに基づき、細胞モデルの進化シミュレーションを援用しつつ、環境適応ネットワークの進化ダイナミクスが持つ一般的な性質を明らかにする。
平成28年度は、96種類の異なるストレス(酸・アルカリ・重金属・抗生物質など)を付与した環境下での大腸菌の進化実験系を実施した。それぞれのストレス環境下において、6つの独立系列で30日程度の植え継ぎ培養による進化実験を行い、87種種類の環境においてストレス耐性能(最小阻害濃度)の有意な上昇を観測した。これらの耐性株について、ゲノム変異解析のためのサンプル取得と、トランスクリプトーム解析のための実験系の構築が完了しており、29年度に定量データの取得を行う。また並行して、単純化した細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析により、表現型進化が少数次元のダイナミクスによって拘束される現象を見出した。この結果は、大腸菌の進化実験の結果においても、トランスクリプトーム空間において可能な表現型の変化が少数次元の空間に拘束されていることを示唆している。今後、この予測を定量的に評価し、環境適応と進化のダイナミクスと、それをもたらすネットワークが持つ一般的な性質を明らかにする。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

多数のストレス環境下での進化実験を実施し、耐性株の取得に成功をしている。今後は、これら耐性株の表現型と遺伝子型の変化を解析することにより、環境適応・進化のダイナミクスが持つ一般的な性質を解析することが可能になる。また、細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析の結果においても、表現型進化が少数次元のダイナミクスに拘束され得ることを示すことに成功した。この結果と実験データ解析を統合し、環境適応と進化における一般的性質を明らかにするため基盤構築が出来ている。

Strategy for Future Research Activity

上述の多数のストレス環境や、時間的に変動する環境下での進化実験を行い、耐性株を取得する。トランスクリプトーム解析とゲノム変異解析を用い、その進化ダイナミクスを特徴づける表現型と遺伝子型の変化を抽出する。また、細胞モデルを用いた変動する環境下での進化シミュレーションを行い、そこで出現する反応ネットワークが持つ一般的な性質を抽出する。これら実験研究と理論研究を統合し、環境適応ネットワークが出現するメカニズムの理解を試みる。

  • Research Products

    (23 results)

All 2017 2016

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 8 results)

  • [Journal Article] Expression profiling of antibiotic resistant bacteria obtained by laboratory evolution,2017

    • Author(s)
      S. Suzuki, T. Horinouchi and C. Furusawa
    • Journal Title

      Meth. Mol. Biol

      Volume: 1520 Pages: 263-279

    • DOI

      10.1007/978-1-4939-6634-9_16.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Acceleration and Suppression of Resistance Development by Antibiotic Combinations2017

    • Author(s)
      S. Suzuki, T. Horinouchi and C. Furusawa
    • Journal Title

      BMC Genomics

      Volume: 18 Pages: 328

    • DOI

      10.1186/s12864-017-3718-2

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 進化実験を用いた薬剤耐性メカニズムの解析2017

    • Author(s)
      古澤力
    • Journal Title

      薬学雑誌

      Volume: 137(4) Pages: 373-376

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Phenotypic changes associated with the fitness cost in antibiotic resistant Escherichia coli strains,2016

    • Author(s)
      S. Suzuki, T. Horinouchi and C. Furusawa
    • Journal Title

      Mol. Biosyst

      Volume: 12(2) Pages: 414-420

    • DOI

      10.1039/c5mb00590f

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 大腸菌進化実験を用いた遺伝子発現量からの抗生物質耐性メカニズムの解析2016

    • Author(s)
      古澤力,鈴木真吾,堀之内貴明
    • Journal Title

      バイオサイエンスとインダストリー

      Volume: 74(2) Pages: 138-140

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Toward Understanding of Adaptive Evolution: Theoretical Analysis and Microbial Laboratory Evolution2017

    • Author(s)
      Chikara Furusawa
    • Organizer
      5th International Symposium of the Mathematics on Chromatin Live Dynamics
    • Place of Presentation
      東広島芸術文化ホール(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2017-03-07 – 2017-03-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 全自動培養システムを用いた多種ストレス環境化における大腸菌進化ダイナミクスの解析2017

    • Author(s)
      前田智也,堀之内貴明,阪田奈津枝,小谷葉月,酒井亜希,田辺久美,古澤力
    • Organizer
      第11回ゲノム微生物学会
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学(東京都港区)
    • Year and Date
      2017-03-03 – 2017-03-03
  • [Presentation] 生物システムの可塑性と安定性の理解へ向けて:実験室進化と理論解析によるアプローチ2017

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      Workshop on recent development of statistical physics
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都文京区)
    • Year and Date
      2017-03-03 – 2017-03-03
    • Invited
  • [Presentation] Toward Understanding of Adaptive Evolution: High-throughput Laboratory Evolution and Computational Analysis2016

    • Author(s)
      Chikara Furusawa
    • Organizer
      International Symposium on Universal Biology
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-11-28 – 2016-11-28
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 生物システムの可塑性の理解に向けて-理論解析と実験進化-2016

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      第54回日本生物物理学会年会シンポジウム
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場(茨城県つくば市)
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-25
    • Invited
  • [Presentation] Analysis of evolutionary constraints and plasticity by laboratory evolution and computational models2016

    • Author(s)
      Chikara Furusawa
    • Organizer
      Genome Evolution Conference
    • Place of Presentation
      Rehovot(Israel)
    • Year and Date
      2016-11-02 – 2016-11-02
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 全自動実験室進化システムの高度化と大腸菌の超ハイスループット実験室進化2016

    • Author(s)
      堀之内貴明,前田智也,古澤力
    • Organizer
      生命情報科学若手の会第8回研究会
    • Place of Presentation
      北海道伊達市大滝セミナーハウス(北海道伊達市)
    • Year and Date
      2016-10-13 – 2016-10-13
  • [Presentation] 実験室進化とオミックス解析によるイソプロパノール耐性大腸菌の育種2016

    • Author(s)
      堀之内貴明,酒井亜希,田辺久美,古澤力
    • Organizer
      第68回日本生物工学会大会
    • Place of Presentation
      富山国際会議場(富山県富山市)
    • Year and Date
      2016-09-30 – 2016-09-30
  • [Presentation] 表現型進化の現象論2016

    • Author(s)
      金子邦彦,古澤力
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-16 – 2016-09-16
  • [Presentation] Escherichia coli cellular state profiling during adaptive evolution to various stress conditions using omics technology2016

    • Author(s)
      Takaaki Horinouchi, Tomoya Maeda, Chikara Furusawa
    • Organizer
      QBiC Symposium 2016
    • Place of Presentation
      千里ライフサイエンスセンター(大阪府豊中市)
    • Year and Date
      2016-09-07 – 2016-09-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Toward Understanding of Biological Plasticity:Computational Analysis and Experimental Evolution2016

    • Author(s)
      Chikara Furusawa
    • Organizer
      QBiC Symposium 2016
    • Place of Presentation
      千里ライフサイエンスセンター(大阪府豊中市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-06
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大腸菌進化実験による進化可能性の構成的理解に向けて2016

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      日本進化学会第18回大会シンポジウム
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-08-27 – 2016-08-27
    • Invited
  • [Presentation] 生き物はどこまで変われるのか-進化実験と理論解析-2016

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      研究会「物理学的普遍性から生物学的普遍性へ」
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-08-04 – 2016-08-04
    • Invited
  • [Presentation] ハイスループット実験室進化とオミックス解析によるストレス耐性微生物の育種2016

    • Author(s)
      堀之内貴明,古澤力
    • Organizer
      2016年度生物工学若手研究者の集い 夏のセミナー
    • Place of Presentation
      ホテルコンチネンタル府中(東京都府中市)
    • Year and Date
      2016-07-16 – 2016-07-16
  • [Presentation] Prediction of Stress Resistance By Gene Expression Profiles2016

    • Author(s)
      Chikara Furusawa, Shingo Suzuki, Takaaki Horinouchi
    • Organizer
      Metabolic Engineering XI
    • Place of Presentation
      淡路夢舞台国際会議場(兵庫県淡路市)
    • Year and Date
      2016-06-28 – 2016-06-28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experimental Evolution of Escherichia coli Under Various Chemical Compounds Using High-Throughput Automated Culture System2016

    • Author(s)
      Takaaki Horinouchi, Shingo Suzuki, Hiroshi Shimizu, Chikara Furusawa
    • Organizer
      Metabolic Engineering XI
    • Place of Presentation
      淡路夢舞台国際会議場(兵庫県淡路市)
    • Year and Date
      2016-06-28 – 2016-06-28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 細胞シミュレーションと大腸菌進化実験を用いた適応進化ダイナミクスの解析2016

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      第6回数理デザイン道場
    • Place of Presentation
      東レ(株)総合研修センター(静岡県三島市)
    • Year and Date
      2016-06-14 – 2016-06-14
    • Invited
  • [Presentation] 適応進化ダイナミクスの解明-微生物実験と理論解析-2016

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      東京大学物理学専攻A7サブコース 第3回 シンポジウム 「生物物理の新展開」
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-05-20 – 2016-05-20
    • Invited

URL: 

Published: 2018-01-16  

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