Exploring roles of the metabolic network structure in bacterial dormancy

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K20626
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0701:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Himeoka Yusuke 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70903160)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Keywords: システム生物学 / 数理モデル / 代謝 / 微生物 / 休眠

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this research project is to clarify how a special biochemical state called dormancy arises in a simple organism such as Escherichia coli. In this study, we focused on the possibility of a transition to a dormant state due to a disruption of metabolic homeostasis, and investigated how a disruption of metabolic homeostasis can arise from small fluctuations in metabolic reactions inside cells.
In this study, we implemented a number of E. coli metabolic kinetics models and examined their responses to small fluctuations in metabolic state. The results revealed that cofactors, molecules that couple with many metabolic reactions, and the sparse network structure of the metabolic reaction network play a major role in the breakdown of metabolic state homeostasis.

Free Research Field

システム生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

休眠状態は細胞の成長速度がほぼゼロになるだけではなく、小さい死滅速度によっても特徴づけられる状態であり、「生きている状態」と「死んだ状態」の境目に近い状態であると考えることができる。休眠状態への遷移のトリガーとなりうる、代謝状態恒常性の乱れを数理的に理解することは基礎研究として「生きている状態」の数理的な理解を確立するための基盤のひとつとなる。
また、休眠状態において細胞はさまざまなストレスへ高い耐性能を示すことが知られており、特に抗生物質耐性などは臨床において強い関心が持たれている。本研究の深化は応用研究へのフィードバックも期待される。