Exploring resuscitation mechanism of starving bacteria by metabolic simulation

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14778
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 38020:Applied microbiology-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: TAKANO Sotaro 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, NIMSポスドク研究員 (90896979)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 代謝モデル / 休眠 / １細胞観察 / 不均一性 / 履歴 / 細菌

Outline of Final Research Achievements

The goal of this study is to elucidate stochasticity and substrate dependence in the resuscitation of dormant bacterial cells. We first observed the growth dynamics of thousands of clonal E. coli exposed to nutrient-poor environments at single-cell level and explored the relationship between the growth-history and lag-time upon nutrient upshift in individual cells, and found that the cells that quickly resumed growth were biased to a specific lineage exhibiting specific growth dynamics at the start of starvation.To examine the effect of the type of carbon source given as a substrate on the growth resumption, we explored growth optimality of carbon sources as growth substrates using a genome-scale metabolic model. The metabolic reactions determining the optimality are strongly correlated with the fluxes of specific metabolites located in the core of metabolic network.

Free Research Field

システムゲノム科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

地球上に存在する微生物のうち増殖活性を示す微生物は１％にも満たないと言われ、有用微生物の分離培養を妨げる一つの要因となっている。 飢餓状態からの覚醒には、個々の細胞の生理状態のばらつきや、増殖基質の至適性の影響が予想されていたが、技術的な難しさからこれらの関係性を詳細に明らかにすることは困難であった。本研究では、細胞毎の再増殖の様子を1細胞レベルで長期間観察し、従来見逃されていた休眠覚醒過程に潜む増殖履歴の影響を高い解像度で明らかにした。また、増殖基質の至適性をゲノム情報を基に解析する手法を確立し、代謝ネットワークの観点から休眠覚醒プロセスを理解可能なプラットフォームの構築を行うことができた。