Metabolic analysis of an Escherichia coli mutant defective in respiratory chain enzymes and its application to the production of 1,3-butanediol and gamma-aminobutyric acid.

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02863
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38020:Applied microbiology-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Atsushi Yokota 北海道大学, 農学研究院, 教授 (50220554)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前田 智也 北海道大学, 農学研究院, 助教 (10754252) ; 片岡 尚也 山口大学, 大学研究推進機構, 助教 (50713509) ; 和田 大 摂南大学, 農学部, 教授 (00301416)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 大腸菌 / 呼吸鎖 / グルタミン酸 / γ-アミノ酪酸 / 1,3-ブタンジオール

Outline of Final Research Achievements

The respiratory chain of Escherichia coli includes NADH dehydrogenase (NDH) and terminal oxidase. We previously knocked out the highest proton-motive force-generating capacity components (NADH dehydrogenase-1 and cytochrome bo3 oxidase) using the E. coli wild-type W1485 strain. In this study, we found that the double knockout mutant strain (ΔΔ strain) showed an increase in the glucose consumption rate, respiration rate, acetate production, NADH/NAD+ ratio, and glutamate production. A metabolome analysis and RNA-seq analysis revealed that genes encoding for pentose phosphate pathway, acetate metabolism, and gadAB encoding glutamate decarboxylase were significantly increased. We also demonstrated that the ΔΔ strain can be applied for the production of 1,3-butanediol and γ-aminobutyric acid (GABA).

Free Research Field

応用微生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

研究代表者は発酵生産の効率化を目的として研究を進め、これまでに酸化的リン酸化の不具合によるエネルギー欠乏の誘導が異化代謝を活性化して生産性向上に有効であることを示してきた。本研究では大腸菌の呼吸鎖酵素二重欠損ΔΔ株が示すエネルギー欠乏への適応機構を明らかにすることで、有用物質生産のためのロバスト（強靭）な大腸菌宿主が開発可能になる。本研究では、産業界に高い需要があるGABAと1,3-BDの発酵生産向上にΔΔ変異が有用であることを実証することができた。これらの成果は、大腸菌の生理学と発酵工業における有用物質生産の両方に関わっており、基礎科学と産業応用の双方における大きく貢献できると思われる。