2020 Fiscal Year Research-status Report
電気を用いた遺伝子発現制御：電気微生物の電気刺激応答システムの解明とその応用
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20K21297
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
石井 俊一 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究プログラム), 副主任研究員 (10556913)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 謙吾 宮崎大学, 農学部, 准教授 (70581304)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2022-03-31
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| Keywords | シトクロームC / Geobacter / 転写制御因子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
バイオプロセスを用いた物質生産では、遺伝子の発現制御が重要であり、光、温度、電気などの物理刺激を用いて代謝経路のオン-オフを精密に制御するシステムの開発が待たれている。本研究では、化学物質を添加する遺伝子発現誘導方法に代わる新たな遺伝子発現の制御法として「電気」を利用する方法の可能性を探索する。その方法として、発電性ジオバクター（Geobacter）属細菌の電位認識機構を同定し、その遺伝子群を大腸菌に導入する。
本年は、まずジオバクター属細菌の電気刺激に応答したメタトランスクリプトーム解析から見いだされた遺伝子クラスターの普遍性について解析した。対象の遺伝子クラスターには、転写制御因子3つと、それによって制御されると考えられる3つのマルチヘムシトクロームC（OmcQ、CbcA、CytB）が含まれており、転写制御因子中にもヘム結合領域を一個有するシトクローム（CbcR）が存在する。比較ゲノム解析の結果、これらの遺伝子群がジオバクター属細菌に広く保存されている事が分かり、この属の微生物機能について非常に重要な役割を担っている事が示唆された。
次に、モデル電気微生物であるGeobacter sulfurreducens PCA株にて、これらの遺伝子群の遺伝子欠損株を作成するための、各種ベクターを作成した。この遺伝子欠落操作を行ったジオバクター属細菌の電気化学解析を行うことにより、これらの電位認識に関わると考えられる遺伝子群の機能解析が可能となる。また、大腸菌やシュワネラ菌で、これらの遺伝子群を発現させて、タンパク機能を同定するため、コドン頻度を調整した長鎖DNAを合成した。まずは、シュワネラ菌にて発現を試みる予定である。
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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
本年は、まずジオバクター属細菌の電気刺激に応答したメタトランスクリプトーム解析から見いだされた遺伝子クラスターの普遍性について解析した。対象の遺伝子クラスターには、転写制御因子3つと、それによって制御されると考えられる3つのマルチヘムシトクロームC（OmcQ、CbcA、CytB）が含まれており、転写制御因子中にもヘム結合領域を一個有するシトクローム（CbcR）が存在する。比較ゲノム解析の結果、これらの遺伝子群がジオバクター属細菌に広く保存されている事が分かり、この属の微生物機能について非常に重要な役割を担っている事が示唆された。
次に、モデル電気微生物であるGeobacter sulfurreducens PCA株にて、これらの遺伝子群の遺伝子欠損株を作成するための、各種ベクターを作成した。この遺伝子欠落操作を行ったジオバクター属細菌の電気化学解析を行うことにより、これらの電位認識に関わると考えられる遺伝子群の機能解析が可能となるが、コロナのパンデミックの影響で、作成完了までは進まなかった。
また、大腸菌やシュワネラ菌で、これらの遺伝子群を発現させて、タンパク機能を同定するため、コドン頻度を調整した長鎖DNAを合成した。これに関しては、次年度、シュワネラ菌にて発現を試み、その機能特性解析を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、モデル電気微生物であるGeobacter sulfurreducens PCA株にて、電位認識に関わると考えられる遺伝子の欠損株を作成し、これらの欠落操作を行ったジオバクター属細菌の電気化学解析を行い、Geobacter属細菌の電位認識機構を明らかにする。
また、大腸菌やシュワネラ菌にて、これらの遺伝子群を発現させて、電位認識に関わると考えられるタンパクの機能同定を試みる。特に、電位の変化による遺伝子発現制御に関与する転写制御因子（レスポンスレギュレータやセンサーキナーゼ）は重要である事から、何種か異なる系統のGeobacter属細菌から配列を抽出し、合成生物技術を用いて作成した後、大腸菌やシュワネラ菌に導入する。制御因子のタンパク質の発現を確認後、電極電位の変化に対する応答を解析する。
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| Causes of Carryover |
本年度は、Covid-19によるパンデミックのため、数度の非常事態宣言が起こった。それに伴うラボ閉鎖の影響で、研究の遂行に支障が出たため、遺伝子組み換え実験ができず、そのための実験消耗品等の使用がなかった。次年度にこれを行うために、繰り越した予算を使用する予定である。
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