2018 Fiscal Year Research-status Report

シアノバクテリアの細胞分化による代謝分業を改変・利用した光合成嫌気発酵生物の創出

Research Project

Project/Area Number	18K05395
Research Institution	Research Institute of Innovative Technology for the Earth
Principal Investigator	肥後明佳公益財団法人地球環境産業技術研究機構, その他部局等, 研究員 (20790249)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	シアノバクテリア / 合成生物学 / 代謝改変 / 物質生産
Outline of Annual Research Achievements	近年、光合成能を持ち、遺伝子改変が比較的容易であり、遺伝子発現制御ツールが急速に整備されつつあるシアノバクテリアによる物質生産研究が盛んに行われている。しかしながら、単細胞性のシアノバクテリアでは、光合成と嫌気発酵を両立させることは困難である。本研究では、糸状性シアノバクテリアであり、窒素固定を専門に行うために内部が嫌気的に保たれたヘテロシストを分化するAnabaena sp. PCC 7120をホストとする。光合成を行なう栄養細胞とヘテロシストそれぞれで代謝を分業させ、光合成と嫌気発酵を両立させることによる、効率的な物質生産を目指す。昨年度は、まず、バイオ燃料の酵素遺伝子をヘテロシスト内で発現する株を構築し、ヘテロシストがバイオ燃料の生産に適していることを見出した。また、各細胞種で特異的に遺伝子発現制御を行うために、研究代表者が開発したヘテロシスト特異的な発現誘導系を発展させ、ヘテロシスト特異的な遺伝子発現抑制系を構築した。合成生物学的手法を駆使し、遺伝子発現制御ツールを適切に組み合わせて遺伝子発現ネットワークを形成するという一歩進んだ段階の実験を行った。また、ヘテロシスト特異的にグルタミン合成酵素の発現を抑制し、細胞間の代謝分業を人為的に誘導することで、ヘテロシストによるエタノール生産が増加することを示した。今後は別のアプローチを取り入れ、多角的に細胞性生物によるバイオ燃料増産を目指す。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 交付申請書に記した、(a) バイオ燃料生産酵素遺伝子のアナベナヘテロシスト内での発現誘導系の構築、(b) ヘテロシスト特異的な遺伝子発現抑制技術の構築について、合成生物学的手法により実際に技術を構築できた。さらに、これらを組み合わせることで、(c) 大規模な代謝改変による代謝分業促進によるバイオ燃料生産の増産についても、実現することができた。
Strategy for Future Research Activity	今年度は、(d) 培養条件や生産物回収の最適化、ヘテロシスト増産についてすすめる。研究代表者がこれまで構築した遺伝子発現抑制系を基礎研究に応用し、これまで解析が困難であった必須遺伝子cyabrB1について研究を進めたところ、cyabrB1の発現抑制により、本来ヘテロシストを作らない窒素源充足条件でもヘテロシストが分化することを見出した。ヘテロシストを人為的に分化させることができれば、効率的な物質生産へとつながる。具体的には、遺伝子発現解析により、どのようなメカニズムでcyabrB1の抑制がヘテロシスト分化につながるかを明らかにする。さらに、cyabrB1のパラログであるcyabrB2の解析も同時に行う。また、cyabrB1抑制により形成されたヘテロシストが物質生産へ応用可能なものか、すなわち嫌気環境が構築されるかどうかについて遺伝子発現解析により調べる。
Causes of Carryover	年度前半に、当初の想定より大幅に計画が進行した。また、異動に伴い、機器や試薬の購入予定に変更が生じた。今年度は、作製した変異株の遺伝子発現を解析するために、リアルタイムPCR解析やウェスタン解析に必要な試薬の購入を計画している。