Evolution Experiment of Escherichia coli in the Presence of Abiotic Metal Ions

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18662
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: Kawakami Norifumi 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (60566800)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 金属イオン / 大腸菌 / 進化

Outline of Final Research Achievements

Six elements-hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen, phosphorus and sulphur- make up the main cell components (water, lipids, nucleotides and proteins) that are essential for life. Additionally, metal ions are required for various physiological processes, such as electron transfer and signal transduction, and can act as catalysts for reactions. However, the choice of metal ions used by organisms varies greatly even if the physiological function is virtually identical.
To understand the mechanisms underlying the selection of metal ions, we conducted an adaptive evolution experiment (ALE) with Escherichia coli in the presence of abiotic metal ions. Genome analysis of the evolved E. coli cells revealed that mutations had accumulated in specific genes depending on the added metal ion's property. This suggests that metal ions bias the evolutionary direction.

Free Research Field

生命金属進化工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生物が生存できる限界についての研究は、極限環境と言われる過酷な環境で生存する生物を対象にして行われるのが一般的である。本研究では、地球上には存在しないような元素環境を人為的に作り、その環境で大腸菌の進化を検討した。その結果、元素にはその性質によって、特定の方向に進化を促すことができる可能性があることを見出した。したがって、生命の生存できる環境の限界を拡張するための基礎的な知見を得ることができたという観点で、学術的な意義がある。また、多くの有用酵素が金属酵素であることも踏まえると、これまでには見られなかったような新たな金属酵素の開発を生物進化を通じて開発できる可能性にもつながる。