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2022 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, 大学院情報科学研究科, 教授 (00226250)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 戸谷 吉博  大阪大学, 大学院情報科学研究科, 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)
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シングルコロニー培養・選択系、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、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デザインを行い、生産可能な物質を拡充した。また、細胞増殖と目的物質の生産が連動する代謝をデザインのみならず増殖に非連動な物質生産デザインも可能とする方法を開発し有効性を実証した。さらに、非酸化的解糖経路の導入を行い大腸菌が元来有する経路の理論最大収率を超える生産に成功した。ロボットを用いて、実験室進化とゲノム解析を行って進化と表現型の変化の関係を明らかにした。また、上記の培養・選択系の開発を完成させ,それを用いた実験室進化実験を開始した。

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を用いて有用物質生産のための基盤株をin silicoデザインし実際に構築した。増殖連動のみならず増殖非連動の両方の培養プロセスにおいて有用な方法、二酸化炭素排出を抑制し元来細胞の持つ理論最大収率を超える代謝デザインを開発した。また、ロボットを用いた実験室進化と進化を予測するモデル開発を行った。さらに、開発したマイクロリアクタを用いて一細胞培養を行って一細胞レベルで表現型の違いを確認した。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。

Strategy for Future Research Activity

モデルを用いて特定の代謝を利用するように強いた株を構築し、その株がどのような変異により増殖活性を上昇させるかについて進化株の全ゲノム解析を行い、代謝を自在に変化させるための情報を収集する。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していく。これらの情報を集積し、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。

  • Research Products

    (39 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (32 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 8 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Functional evaluation of non-oxidative glycolysis in Escherichia coli in the stationary phase under microaerobic conditions2023

    • Author(s)
      Miyoshi Kenta、Kawai Ryutaro、Niide Teppei、Toya Yoshihiro、Shimizu Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      Volume: 135 Pages: 291~297

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2023.01.002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Logistic Regression-Guided Identification of Cofactor Specificity-Contributing Residues in Enzyme with Sequence Datasets Partitioned by Catalytic Properties2022

    • Author(s)
      Sugiki Sou、Niide Teppei、Toya Yoshihiro、Shimizu Hiroshi
    • Journal Title

      ACS Synthetic Biology

      Volume: 11 Pages: 3973~3985

    • DOI

      10.1021/acssynbio.2c00315

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Metabolic pathway design for growth-associated phenylalanine production using synthetically designed mutualism2022

    • Author(s)
      Kawai Ryutaro、Toya Yoshihiro、Shimizu Hiroshi
    • Journal Title

      Bioprocess and Biosystems Engineering

      Volume: 45 Pages: 1539~1546

    • DOI

      10.1007/s00449-022-02762-4

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Metabolic pathway engineering for the non-growth-associated succinate production in Escherichia coli based on flux solution space2022

    • Author(s)
      Toya Yoshihiro、Shimizu Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      Volume: 134 Pages: 29~33

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2022.04.008

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] バイオによるものづくりに貢献する機械学習・深層学習技術2022

    • Author(s)
      徳山健斗、清水浩
    • Journal Title

      化学工学

      Volume: 86 Pages: 161-164

  • [Journal Article] Analysis of the evolution of resistance to multiple antibiotics enables prediction of the Escherichia coli phenotype-based fitness landscape2022

    • Author(s)
      Iwasawa Junichiro、Maeda Tomoya、Shibai Atsushi、Kotani Hazuki、Kawada Masako、Furusawa Chikara
    • Journal Title

      PLOS Biology

      Volume: 20 Pages: 3001920-3001920

    • DOI

      10.1371/journal.pbio.3001920

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] モデルベース指向性進化による中枢代謝の各経路における律速の解放2023

    • Author(s)
      戸谷吉博、三吉健太、川本優一、芝井厚、古澤力、清水浩
    • Organizer
      化学工学会第88年会
  • [Presentation] エレメンタリーモード解析による非酸化的解糖経路を導入したブチロラクタム生産大腸菌の代謝デザイン2023

    • Author(s)
      三吉 健太、二井手哲平、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      化学工学会第88年会
  • [Presentation] 細胞内部の空間構造による反応の最適制御の変化2023

    • Author(s)
      一井俊介、姫岡優介、古澤力
    • Organizer
      定量生物学の会第十回年会
  • [Presentation] 9種細菌の薬剤耐性進化実験による薬剤耐性進化ダイナミクスの比較解析2023

    • Author(s)
      前田智也、田邊久美、芝井厚、小谷葉月、古澤力
    • Organizer
      第17回日本ゲノム微生物学会年会
  • [Presentation] In silico and Experimental Metabolic Flux Analyses and their Applications to Fermentation Processes2022

    • Author(s)
      Hiroshi Shimizu
    • Organizer
      2022 Agricultural Biotechnology Symposium, Metabolomics for Food and Human Health, Center for Food and Bioconvergence,
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Optogenetic approaches for efficient microbial bio-productions2022

    • Author(s)
      Yoshihiro Toya
    • Organizer
      2022 KSBB Fall Meeting and International Symposium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] In silico代謝デザインプラットフォームと代謝フラックス解析による微生物発酵の育種とプロセス開発の高度化2022

    • Author(s)
      清水浩
    • Organizer
      生物工学会中部支部第9回CHUBU懇話会
    • Invited
  • [Presentation] 光を利用したバイオプロセスの開発に関する研究2022

    • Author(s)
      戸谷 吉博
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
    • Invited
  • [Presentation] 非酸化的解糖経路の有望な目的化合物の検討とin silico代謝デザイン2022

    • Author(s)
      三吉 健太、一色 衣香、二井手 哲平、戸谷 吉博、清水 浩
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
  • [Presentation] 青色光応答タンパク質を利用した中枢代謝フラックスの制御技術の開発2022

    • Author(s)
      赤木 駿斗、戸谷 吉博、清水 浩
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
  • [Presentation] 異なる炭素源を消費する2種類の大腸菌株を用いた共培養によるイソプレノール生産2022

    • Author(s)
      村上茉奈美、川井隆太郎、三吉健太、芝井厚、前田智也、堀之内貴明、古澤力、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
  • [Presentation] 微生物共培養のための精製タグ付きタンパク質を利用した13C代謝フラックス比解析技術の開発2022

    • Author(s)
      川本優一、二井手哲平、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
  • [Presentation] 大腸菌におけるロドプシンの光駆動プロトンポンプが弱酸耐性に及ぼす影響2022

    • Author(s)
      小林祐摩、佐野海瑚人、弘埜陽子、松田史生、石井純、原清敬、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
  • [Presentation] アンチセンスRNAを利用した光照射による代謝フラックス制御技術の開発2022

    • Author(s)
      櫻井 翔太、戸谷 吉博、 清水 浩
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
  • [Presentation] 大腸菌の染色体上リボゾーム結合部位改変を利用した中枢炭素代謝フラックスの精密制御2022

    • Author(s)
      澤田将吾、松田史生、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      化学工学会第53回秋季大会
  • [Presentation] 人工的な相利共生関係を利用した指向性進化による有用物質生産菌の開発2022

    • Author(s)
      川井 隆太郎、戸谷 吉博、 清水 浩
    • Organizer
      化学工学会第53回秋季大会
  • [Presentation] CO2排出を抑制した物質生産に向けた大腸菌における逆グリオキシル酸経路の利用2022

    • Author(s)
      田中恒作、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      化学工学会第53回秋季大会
  • [Presentation] 共培養チロシン生産に適した代謝改変の検討2022

    • Author(s)
      多田一紀、戸谷吉博、清水浩
    • Organizer
      化学工学会第53回秋季大会
  • [Presentation] Toward prediction and control of microbial evolution: Analysis of phenotypic constraints in laboratory evolution2022

    • Author(s)
      Chikara Furusawa
    • Organizer
      OIST workshop "Cell, Energetics, and information: New perspectives on nonequilibrium systems”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Toward prediction and control of microbial evolution: Analysis of phenotypic constraints in laboratory evolution2022

    • Author(s)
      Chikara Furusawa
    • Organizer
      ELSI Symposium on Evolution and Emergence of Living Systems:from Geochemistry to Synthetic Biology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 微生物の大規模進化実験~進化の予測と制御へ向けて~2022

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      第16回バイオ関連化学シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 微生物の大規模進化実験~進化の予測と制御へ向けて~2022

    • Author(s)
      古澤力
    • Organizer
      第5回分子サイバネティクス・第49回分子ロボティクス定例研究会
    • Invited
  • [Presentation] 細菌の薬剤耐性空間上の進化軌跡を自動フィードバック制御する2022

    • Author(s)
      芝井厚、古澤力
    • Organizer
      日本進化学会第24回大会
  • [Presentation] 細菌の複数薬剤耐性実験進化をラボオートメーションでフィードバック制御する2022

    • Author(s)
      芝井厚、古澤力
    • Organizer
      2022年日本バイオインフォマティクス学会年会
  • [Presentation] 代謝ネットワークの構造と緩和ダイナミクスの定性的特徴2022

    • Author(s)
      姫岡優介、古澤力
    • Organizer
      日本物理学会2022秋季大会
  • [Presentation] 触媒反応ネットワークにおけるコンパートメントの進化的獲得2022

    • Author(s)
      一井俊介、姫岡優介、古澤力
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] オペロン構造が組み上がる過程を実験的に再構成する2022

    • Author(s)
      金井雄樹,、津留三良、 古澤力
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] マイクロタイタープレート上のウェル間に温度勾配を生じさせる微生物培養装置の開発2022

    • Author(s)
      芝井厚、古澤力
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] Single-cell trapping in open microfluidics2022

    • Author(s)
      Tomoki Murakami, Hiroaki Suzuki
    • Organizer
      The 26th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2022)
  • [Presentation] 指向性進化を目的としたマイクロ流路細胞培養システムの開発2022

    • Author(s)
      大竹理寛、佐藤玲子、戸谷吉博、清水浩、鈴木宏明
    • Organizer
      日本機械学会2022年度年次大会
  • [Presentation] マイクロドロップレットを用いた大腸菌指向進化実験のとりく み2022

    • Author(s)
      佐藤玲子、大竹理寛、高昱偲、戸谷吉博、清水浩、鈴木宏明
    • Organizer
      第74回日本生物工学会大会
  • [Presentation] オープン型マイクロ流路による細胞・粒子のペアリング配置の試み2022

    • Author(s)
      寺谷浩登、村上友樹、鈴木宏明
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第46回研究会
  • [Remarks] 清水浩研究室

    • URL

      https://metabolic-engineering.jp/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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