2021 Fiscal Year Annual Research Report
Reorganization of metabolic pathways by controlling iron utilization mechanism
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21H01729
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
蓮沼 誠久 神戸大学, 先端バイオ工学研究センター, 教授 (20529606)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 代謝工学 / 鉄硫黄クラスタータンパク質 / 酵母 / メタボロミクス / 合成生物学 / バイオプロダクション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2Fe-2S型鉄硫黄クラスタータンパク質であるグラム陰性細菌Caulobacter crescentus由来キシロン酸デヒドラターゼ（XylD）の遺伝子を出芽酵母Saccharomyces cerevisiae内で発現させたうえで，鉄硫黄クラスタータンパク質の形成に関連する様々な遺伝子の発現量を改変した組換え酵母株ライブラリーを構築した。現在，得られたライブラリーのXylD活性測定と代謝物解析，遺伝子発現解析等を実施することにより，酵母内での鉄硫黄クラスタータンパク質形成メカニズムの解明に迫っている。
一方，XylD以外の鉄硫黄クラスタータンパク質遺伝子を酵母内で発現させ，XylDの機能発現に効果があることが分かっている「鉄硫黄代謝改変システム」の有効性を調べている。その結果，従来，酵母内で困難であった，鉄硫黄クラスタータンパク質を含む異種微生物由来代謝経路を機能させることに成功した。この機能発現は本研究のアプローチにより，世界で初めて得られた成果である。今後は得られた株の代謝解析を進めることにより，鉄硫黄代謝改変システムの一般性や波及効果を明らかにしていく。
また，こうして得られた知見を基に，鉄硫黄代謝改変システムのさらなる高度化を検討し，イソプレノイド生産等のバイオプロダクションへの適用を進めていく。また，別のケーススタディとしてXylDの高活性化を通して，酵母によるキシロース由来有用物質（ブタントリオール、ジヒドロキシブチル酸等）の高生産化を検証していく。
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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
グラム陰性細菌Caulobacter crescentus由来XylD遺伝子を出芽酵母Saccharomyces cerevisiae内で発現させ、鉄硫黄クラスター形成関連遺伝子の発現量を改変した組換え酵母株ライブラリーを構築した。現在は得られたライブラリーの代謝解析を実施している。一方で，XylD以外の鉄硫黄クラスタータンパク質遺伝子を酵母内で発現させた。こうして得られた株に対し，これまでの研究で鉄硫黄クラスタータンパク質の機能発現に効果があることが分かっている「鉄硫黄代謝改変システム」を実装したところ，酵母内で実現が困難であった代謝経路の導入に成功した。これは本研究で得られた初めての事象である。さらに，こうして得られた株の一つに対し，下流の二次代謝経路を追加で導入したところ，出芽酵母菌体当たりの二次代謝物生産量は鉄硫黄代謝改変システムの実装により，増加していることを明らかにした。今回得られた実験結果は，鉄硫黄クラスタータンパク質を含む代謝経路が機能することにより，二次代謝物のバイオプロダクションが増加したことを示唆している。即ち，鉄硫黄代謝改変システムが鉄硫黄クラスタータンパク質の機能発現を促すことに一般性があることを示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
鉄硫黄クラスタータンパク質の形成に関連する様々な遺伝子の発現量を改変した組換え酵母株ライブラリーのXylD活性測定や代謝物解析，遺伝子発現解析等を進め，酵母内での鉄硫黄クラスタータンパク質形成メカニズムの解明に迫る。また，XylD以外の鉄硫黄クラスタータンパク質遺伝子を発現させた株で，鉄硫黄代謝改変システムが鉄硫黄クラスタータンパク質の機能発現に及ぼす影響や，一次代謝全体に及ぼす影響を調べていく。さらに，こうして得られた知見を基に，鉄硫黄代謝改変システムのさらなる高度化を検討し，バイオプロダクションへの適用を進める。例えば，XylDの高活性化を通して，酵母によるキシロース由来有用物質（ブタントリオール、ジヒドロキシブチル酸等）の高生産化を検証していく。また，二次代謝物の高生産化にも取り組んでいく。
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