2021 Fiscal Year Annual Research Report
High performance microbial cell factories development by model based metabolic design and adaptive laboratory evolution
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19H05626
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
清水 浩 大阪大学, 情報科学研究科, 教授 (00226250)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
戸谷 吉博 大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (70582162)
鈴木 宏明 中央大学, 理工学部, 教授 (20372427)
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)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| 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 |
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| 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、マイクロドロップレットを用いたシングルセル培養系および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。その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、多種の栄養源と目的物質の組み合わせの生産大腸菌代謝経路のin silicoデザインを行った。イソプレノール生産については、共培養を利用した代謝デザインと進化工学と統合する方法も開発した。実験室進化により増殖速度が上昇した進化株のイソプレノール生産を評価し全ゲノム解析とゲノム編集により、必要変異を同定した。また、マイクロ流系においては、増殖速度の異なる株をハイスループットに可視化し，選択的にピックアップすることが可能となるシステム構築を行った。
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| 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、昨年までに構築したゲノムスケール代謝モデルを用いて有用物質生産のための代謝デザインを多種の物質に行った。イソプレノール生産については代謝デザイン、実験室進化、全ゲノム解析、変異導入を行って、高生産を可能とする株の構築に成功した。さらに、マイクロリアクタを開発し、長期培養が可能であることを確認した。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。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、様々な栄養源と目的物質生産をデザインした代謝系のフラックス変動、人工代謝系の導入がもたらす代謝の変化、様々な進化株の全ゲノム解析を行い、どのような変異が進化株に生じたのかを突き止める。ゲノム編集を用いて同定された変異を親株に導入し、増殖、物質生産、分子機能の関係を明らかにする。この情報を集積し、目的物質に適した代謝経路のデザイン、必要変異のデザインを可能とし、柔軟な物質生産菌の開発法を完成させる。
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