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2019 Fiscal Year Annual Research Report

環境へのフィードバック制御を用いた進化過程をコントロールする手法の開発

Research Project

Project/Area Number 17H03622
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, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (00372631)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords進化実験 / フィードバック制御 / 大腸菌
Outline of Annual Research Achievements

近年大きな問題となっている抗生物質耐性菌の出現を抑制するためには、その進化ダイナミクスを理解し、制御する必要がある。そこで本研究では、進化実験で得られた様々な抗生物質耐性の大腸菌株について、その表現型と遺伝子型を定量したデータに基づき、その耐性獲得への進化ダイナミクスを制御する手法を考案する。単独の抗生物質に対する耐性菌の表現型・遺伝子型データから、複数の抗生物質を同時に添加したときの進化ダイナミクスを予測し、進化実験を行うことによって検証する。これまでに、申請者が開発したラボオートメーションを用いた全自動の進化実験システムを用いて得られた、酸・アルカリ・界面活性剤・抗生物質など95種類のストレスに対する耐性大腸菌について、一つのストレスに対する耐性獲得が、他の様々なストレスへの耐性をどのように変化させるかを定量している。さらに、1遺伝子破壊株ライブラリを親株とした進化実験を行い、遺伝子破壊の進化ダイナミクスに対する影響を定量した。それらのデータに基づき、複数のストレス誘引物質を適切な濃度比率で同時添加し、フィードバック制御を加えることにより、目的の耐性プロファイルを持つ菌株を獲得する進化実験のアルゴリズムを構築した。このアルゴリズムを用い、2種類の抗生物質(クロラムフェニコールとアミカシン)の添加濃度を動的に変化させる進化実験を行ったところ、単独の薬剤を展開した場合には出現しない耐性パターンを持つ大腸菌を創出することに成功をした。この進化実験の制御技術は、目的とする表現型の創出や、その出現抑制の手法を構築するなど、様々な応用を期待することが出来る。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (22 results)

All 2020 2019

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 4 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 8 results)

  • [Journal Article] Suppression of Antibiotic Resistance Evolution by Single-Gene Deletion2020

    • Author(s)
      Takaaki Horinouchi, Tomoya Maeda, Hazuki Kotani, Chikara Furusawa
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10(1) Pages: 4178

    • DOI

      doi: 10.1038/s41598-020-60663-6

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Understanding Metabolic Adaptation by Using Bacterial Laboratory Evolution and Trans-Omics Analysis2020

    • Author(s)
      Takaaki Horinouchi, Chikara Furusawa
    • Journal Title

      Biophysical Reviews

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      doi: 10.1007/s12551-020-00695-4

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 適応と進化におけるマクロ現象論――表現型変化の低次元拘束と揺らぎ応答関係2019

    • Author(s)
      金子邦彦, 古澤力
    • Journal Title

      日本物理学会誌

      Volume: 74(3) Pages: 137-145

    • DOI

      https://doi.org/10.11316/butsuri.74.3_137

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 微生物進化実験の定量解析:予測・制御・細胞状態論へ向けて2019

    • Author(s)
      古澤 力, 堀之内 貴明
    • Journal Title

      生物物理

      Volume: 59(5) Pages: 262-265

    • DOI

      https://doi.org/10.2142/biophys.59.262

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] High-dimensional data acquisition for analysis of microbial evolution and ecology2020

    • Author(s)
      C. Furusawa
    • Organizer
      The 29th Hot Spring Harbor International Symposium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 実験室進化手法を応用した大腸菌のストレス耐性機構の解明とその制御2020

    • Author(s)
      古澤 力
    • Organizer
      日本農芸化学会大会2020
    • Invited
  • [Presentation] 機械学習と大腸菌実験室進化データを用いた進化拘束の解析2020

    • Author(s)
      岩澤諄一郎, 前田智也, 堀之内貴明, 古澤力
    • Organizer
      第14回日本ゲノム微生物学会
  • [Presentation] Analysis of Evolutionary Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution and Computational Models2019

    • Author(s)
      C. Furusawa
    • Organizer
      2nd Joint Symposium between MBI and UBI
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] High-dimensional data acquisition for analysis of microbial evolution and ecology2019

    • Author(s)
      C. Furusawa
    • Organizer
      The 1st Symposium of China-Japan Joint Laboratory for Natural Products and Chemical Biology--Trends in Gut Microbiome Research
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Analysis of Evolutionary Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution and Computational Models2019

    • Author(s)
      C. Furusawa
    • Organizer
      From Molecular Basis to Predictability and Control of Evolution
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis of Phenotypic Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution, The 20th International Conference on Systems Biology2019

    • Author(s)
      C. Furusawa
    • Organizer
      The 20th International Conference on Systems Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Combining interpretable machine learning with high dimensional multi-omics data from laboratory evolution2019

    • Author(s)
      J. Iwasawa, T. Maeda, T. Horinouchi, C. Furusawa
    • Organizer
      The 20th International Conference on Systems Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Identification of mutations conferring resistance to anti-tuberculosis drugs by laboratory evolution of non-pathogenic Mycobacterium on agar plate2019

    • Author(s)
      T. Maeda, C. Furusawa
    • Organizer
      The 20th International Conference on Systems Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Feedback control of evolutionary trajectory of bacterial cells on fitness landscape2019

    • Author(s)
      A. Shibai, C. Furusawa
    • Organizer
      The 20th International Conference on Systems Biology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 自動化システムを用いた大腸菌進化実験:進化の予測と制御へ向けて2019

    • Author(s)
      古澤 力
    • Organizer
      第92回日本生化学会大会
    • Invited
  • [Presentation] Analysis of Phenotypic Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution2019

    • Author(s)
      C. Furusawa
    • Organizer
      第57回日本生物物理学会年会
    • Invited
  • [Presentation] 生物システムの安定性と可塑性の理解へ向けて:実験室進化と理論解析2019

    • Author(s)
      古澤 力
    • Organizer
      CBI学会2019年大会
    • Invited
  • [Presentation] Toward prediction and control of microbial evolution: Analysis of phenotypic constraints in laboratory evolution2019

    • Author(s)
      古澤 力
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
    • Invited
  • [Presentation] 適応度地形の動的変化を通した細菌進化のフィードバック制御の試み2019

    • Author(s)
      芝井厚,古澤力
    • Organizer
      日本進化学会第21回大会
  • [Presentation] Laboratory evolution of Escherichia coli reveals constrained evolutionary states for antibiotic resistance2019

    • Author(s)
      岩澤諄一郎, 前田智也, 堀之内貴明, 古澤力
    • Organizer
      第57回日本生物物理学会
  • [Presentation] 自動培養系を用いた細菌実験進化のフィードバック制御の試み2019

    • Author(s)
      芝井厚,古澤力
    • Organizer
      第11回生命情報科学若手の会
  • [Presentation] ストレス条件と耐性獲得との関係に基づく細菌進化のフィードバック制御2019

    • Author(s)
      芝井厚,古澤力
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会

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Published: 2021-01-27  

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