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2019 Fiscal Year Annual Research Report

High performance microbial cell factories development by model based metabolic design and adaptive laboratory evolution

Research Project

Project/Area Number 19H05626
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) 戸谷 吉博  大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (70582162)
堀之内 貴明  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, 研究員 (60610988)
鈴木 宏明  中央大学, 理工学部, 教授 (20372427)
Project Period (FY) 2019-06-26 – 2024-03-31
Keywords代謝工学 / ゲノムスケールモデル / 指向性進化 / ロボット / マイクロリアクタ
Outline of Annual Research Achievements

微生物は細胞内に複雑に相互作用する多数の代謝反応を持つため、目的物質生産のために代謝を最適化するのは容易なことではない。本研究では、微生物代謝を統一的に理解し、合理的にデザインできる代謝工学を確立することを目的としている。有用物質生産の宿主微生物である大腸菌について、様々な炭素源、異なる前駆体から合成される目的物質を設定することで、代謝経路の律速点を網羅的に抽出するための研究を行う。中枢代謝の主要な経路のフラックスを増加するための原理を抽出し、代謝を自在に操る手法を確立することを目指す。すなわち、ゲノムスケールモデルを用い、細胞増殖と目的物質の生産が連動するように代謝経路をデザインする。また、ロボットを用いて継代培養を行い、増殖速度が上昇し代謝の律速点が解消された進化株を取得する。さらに、マイクロ流路を用いた多系列連続培養系を開発し、系列数と選択圧の種類を増やすことで、微生物の進化プロセスを多次元化する。得られた進化株のゲノム解析や代謝解析を行い、親株からどのように代謝が遷移したのかを明らかにする。得られた知見をもとに代謝を自在に変化させ、有用物質生産株を構築する手法を確立する。
本年度は、ゲノムスケール代謝モデルを利用し、目的物質を生産する大腸菌の代謝経路のin silicoデザイン法を整備した。フラックスバランス解析法を用いて、細胞増殖と目的物質の生産が連動するように代謝をデザインし、必要な代謝経路の導入、不要な経路の削除を行って、有用物質生産のための基盤株を構築できる基盤を整えた。ロボットを用いて、実験室進化を行うことによって、増殖速度が上昇した進化株を取得する方法も立ち上げた。多系列で異なる目的物質の生産性を向上させることが可能なシステムを開発し実験室進化を開始した。さらに、マイクロ流路工学による定常連続培養リアクタのプロトタイプを試作した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、ゲノムスケール代謝モデルによるin silicoデザイン法を整備した。フラックスバランス解析法を用いて有用物質生産のための基盤株を構築できる基盤を整えた。また、ロボットを用いて、実験室進化を行うことによって、増殖速度が上昇した進化株を取得する方法も立ち上げ実際に実験がスタートした。さらに、マイクロ流路を設計し大腸菌を培養するマイクロリアクタのプロトタイプ試作を行った。以上の観点から研究は計画通りおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後は、代謝フラックスバランス法の適用を拡大する。さらに進化実験を行って得られた進化株の機能解析を行う。また、マイクロ流路工学により多系列定常連続培養リアクタによる進化法の開発を進める。このように、in silico代謝デザイン法、実験室進化、マイクロリアクタによる連続培養を組み合わせ、中枢代謝の主要な経路のフラックスを増加するための原理を抽出し、代謝を自在に操る手法の確立を目指していく。

  • Research Products

    (10 results)

All 2020 2019 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Suppression of antibiotic resistance evolution by single-gene deletion2020

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

      Scientific Reports

      Volume: 10 Pages: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41598-020-60663-6

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 光照射により代謝フラックスをコントロールする技術の開発2020

    • Author(s)
      戸谷吉博、清水浩
    • Journal Title

      バイオサイエンスとインダストリー

      Volume: 78 Pages: 31~32

  • [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 Pages: 262~265

    • DOI

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

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] In silico代謝デザインに基づく非酸化的解糖系依存の大腸菌株の創出2020

    • Author(s)
      三吉 健太、川井 隆太郎、堀之内 貴明、戸谷 吉博、清水 浩
    • Organizer
      日本農芸化学会2020年度大会
  • [Presentation] Integration of in silico Genetic Modification Design and Adaptive Laboratory Evolution to Increase in Productivity of Target Compounds2019

    • Author(s)
      Shimizu Hiroshi
    • Organizer
      International Conference on Metabolic Science 2019
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Metabolic Engineering to Create Microbial Cell Factories2019

    • Author(s)
      Shimizu Hiroshi
    • Organizer
      The 21st Academic Exchange Seminar Between Shanghai Jiao Tong University And Osaka University
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 大腸菌の共培養によるイソプレノール合成経路のボトルネックの解消2019

    • Author(s)
      川井隆太郎、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      第71回日本生物工学会大会
  • [Presentation] 大腸菌の大規模実験室進化とオミクス解析による適応進化動態の解析2019

    • Author(s)
      堀之内貴明
    • Organizer
      第35回個体群整体学会
    • Invited
  • [Presentation] 全自動実験室進化システムと大規模計測を用いたストレス耐性大腸菌の育種2019

    • Author(s)
      堀之内貴明
    • Organizer
      日本生物工学会バイオインフォマティクス相談部会第三回講演会
    • Invited
  • [Remarks] 清水浩研究室

    • URL

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

URL: 

Published: 2021-01-27  

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