多様な選択圧下での大腸菌進化実験による揺らぎ－応答関係の定量解析

• Project Area: Evolutionary theory for constrained and directional diversities
• Project/Area Number: 17H06389
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 古澤 力 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (00372631)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 若本 祐一 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30517884) ; 津留 三良 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (80594506)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥145,340,000 (Direct Cost: ¥111,800,000、Indirect Cost: ¥33,540,000); Fiscal Year 2021: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000); Fiscal Year 2020: ¥24,440,000 (Direct Cost: ¥18,800,000、Indirect Cost: ¥5,640,000); Fiscal Year 2019: ¥23,920,000 (Direct Cost: ¥18,400,000、Indirect Cost: ¥5,520,000); Fiscal Year 2018: ¥34,450,000 (Direct Cost: ¥26,500,000、Indirect Cost: ¥7,950,000); Fiscal Year 2017: ¥43,030,000 (Direct Cost: ¥33,100,000、Indirect Cost: ¥9,930,000)
• Keywords: 進化実験 / 表現型揺らぎ / 大腸菌 / ラボオートメーション / 揺らぎ / 進化 / 微生物 / ゆらぎ

Outline of Annual Research Achievements

進化の過程における表現型変化は任意の方向に起こるのではなく、そこには明確な制約と方向性が存在する。この進化過程における制約と方向性の問題に関し、物理学を背景とした理論構築が試みられ、同一遺伝子型個体の間の表現型の揺らぎの大きさと、その進化速度に比例関係があることが予測されてきた。そこで本研究では、大腸菌進化実験を用いることにより、表現型変化の制約と方向性の存在を定量的に明らかにすることを目的としている。
これまでに、申請者が開発したラボオートメーションを用いた全自動の進化実験システムを用いて得られた、酸・アルカリ・界面活性剤・抗生物質などのストレスに対する耐性大腸菌について、マイクロアレイを用いたトランスクリプトーム解析と、超並列シーケンサを用いたゲノム変異解析が完了している。それらの大規模データを解析することにより、様々に異なる選択圧の下で得られた大腸菌進化株であるにもかかわらず、遺伝子発現プロファイルや耐性プロファイルといった表現型は少数のパターンに拘束されていることが見出された。さらに、そのデータに基づいて、遺伝子発現プロファイルを低次元に次元圧縮した表現型空間上での適応度地形の推定を行い、この手法により適応度の定量予測が可能であることを確認した。加えて、昨年度までに立ち上げた、蛍光顕微鏡とフローサイトメトリーを用いた遺伝子発現量の揺らぎの解析系を用い、遺伝子発現の揺らぎの大きさと環境変化に対する応答を定量したところ、理論から予測されるように両者の間に正の相関があることを見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的は、理論研究によって予測された、進化の方向性と表現型揺らぎの相関を明らかにすることにある。これまでに、多様なストレス環境下での進化実験で得られた大腸菌耐性株について、それらの表現型が少数のパターンに拘束されていることが見出されている。さらに、適応度地形の推定に成功し、その情報に基づいた進化軌跡の予測に手が届く段階まで到達している。また、それぞれの遺伝子について、様々な環境変化を与えた場合の短い時間スケールでの変動の大きさと、様々な選択圧の下での表現型進化過程での変動の大きさに、有意な正の相関が見出されている。すでに立ち上げを完了している遺伝子発現揺らぎの解析系と統合し、進化過程の拘束と揺らぎの相関を探索し、さらなる理論構築に必要なデータ取得のための基盤が構築できている。予定した研究が進行しているため、全体として研究は順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

2020年度は、動的に変動する環境での進化実験を用い、進化軌跡の予測を試みる。それを通じて、表現型進化がどのように拘束されているかを定量的に解析し、その拘束を表現するための理論構築を行う。加えて、遺伝子発現揺らぎの系統的な定量を進展させ、揺らぎと拘束の関係について、さらに詳細に解析する。

Research Products

• [Journal Article] Suppression of antibiotic resistance evolution by single-gene deletion (2020)
  • Author(s): Horinouchi Takaaki、Maeda Tomoya、Kotani Hazuki、Furusawa Chikara
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 4178-4178
  • DOI: 10.1038/s41598-020-60663-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Understanding metabolic adaptation by using bacterial laboratory evolution and trans-omics analysis (2020)
  • Author(s): Horinouchi Takaaki、Furusawa Chikara
  • Journal Title: Biophysical Reviews Volume: -
  • DOI: 10.1007/s12551-020-00695-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complete Genome Sequence of a Radioresistant Bacterial Strain, Deinococcus grandis ATCC 43672 (2019)
  • Author(s): Shibai Atsushi、Satoh Katsuya、Kawada Masako、Kotani Hazuki、Narumi Issay、Furusawa Chikara
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 8
  • DOI: 10.1128/mra.01226-19
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complete Genome Sequences of Three Star-Shaped Bacteria, Stella humosa, Stella vacuolata, and Stella Species ATCC 35155 (2019)
  • Author(s): Shibai Atsushi、Maeda Tomoya、Kawada Masako、Kotani Hazuki、Sakata Natsue、Furusawa Chikara
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 8
  • DOI: 10.1128/mra.00719-19
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of Bacterial Laboratory Evolution toward Prediction, Control, and Macroscopic State Theory of Evolution (2019)
  • Author(s): FURUSAWA Chikara、HORINOUCHI Takaaki
  • Journal Title: Biophysics Volume: 59 Issue: 5 Pages: 262-265
  • DOI: 10.2142/biophys.59.262
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 適応と進化におけるマクロ現象論--表現型変化の低次元拘束と揺らぎ-応答関係 (2019)
  • Author(s): 金子邦彦, 古澤力
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 74 Pages: 137-145
  • NAID: 130007690582
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-throughput identification of the sensitivities of an Escherichia coli ΔrecA mutant strain to various chemical compounds (2019)
  • Author(s): Maeda Tomoya、Horinouchi Takaaki、Sakata Natsue、Sakai Aki、Furusawa Chikara
  • Journal Title: scientific reports Volume: - Pages: 566-573
  • DOI: 10.1038/s41429-019-0160-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Toward prediction and control of antibiotic-resistance evolution (2018)
  • Author(s): Furusawa Chikara、Horinouchi Takaaki、Maeda Tomoya
  • Journal Title: Curr. Opin. Biotechonl. Volume: 54 Pages: 45-49
  • DOI: 10.1016/j.copbio.2018.01.026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of dominant mode by evolution in biological systems (2018)
  • Author(s): Furusawa Chikara、Kaneko Kunihiko
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 97 Pages: 042410-042410
  • DOI: 10.1103/physreve.97.042410
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] High-dimensional data acquisition for analysis of microbial evolution and ecology (2020)
  • Author(s): C. Furusawa
  • Organizer: The 29th Hot Spring Harbor International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 実験室進化手法を応用した大腸菌のストレス耐性機構の解明とその制御 (2020)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 日本農芸化学会大会2020
  • Invited
• [Presentation] 機械学習を用いた生物形態の定量化 (2020)
  • Author(s): 堤真人,斉藤稔,古澤力
  • Organizer: 日本物理学会第75回大会
• [Presentation] フェロモンが変化できる進化パスを実験的に探索する (2020)
  • Author(s): 清家泰介,小谷葉月,古澤力
  • Organizer: 第14回日本ゲノム微生物学会
• [Presentation] 機械学習と大腸菌実験室進化データを用いた進化拘束の解析 (2020)
  • Author(s): 岩澤諄一郎, 前田智也, 堀之内貴明, 古澤力
  • Organizer: 第14回日本ゲノム微生物学会
• [Presentation] History-dependent maintenance of resistant phenotype against resistant gene deletion (2020)
  • Author(s): 小金澤優太、梅谷実樹、佐藤守俊、若本祐一
  • Organizer: 第93回日本細菌学会総会
• [Presentation] Analysis of Evolutionary Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution and Computational Models (2019)
  • Author(s): C. Furusawa
  • Organizer: 2nd Joint Symposium between MBI and UBI
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-dimensional data acquisition for analysis of microbial evolution and ecology (2019)
  • Author(s): C. Furusawa
  • Organizer: The 1st Symposium of China-Japan Joint Laboratory for Natural Products and Chemical Biology--Trends in Gut Microbiome Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Analysis of Evolutionary Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution and Computational Models (2019)
  • Author(s): C. Furusawa
  • Organizer: From Molecular Basis to Predictability and Control of Evolution
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of Phenotypic Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution (2019)
  • Author(s): C. Furusawa
  • Organizer: The 20th International Conference on Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Combining interpretable machine learning with high dimensional multi-omics data from laboratory evolution (2019)
  • Author(s): J. Iwasawa, T. Maeda, T. Horinouchi, C. Furusawa
  • Organizer: The 20th International Conference on Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of mutations conferring resistance to anti-tuberculosis drugs by laboratory evolution of non-pathogenic Mycobacterium on agar plate (2019)
  • Author(s): T. Maeda, C. Furusawa
  • Organizer: The 20th International Conference on Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feedback control of evolutionary trajectory of bacterial cells on fitness landscape (2019)
  • Author(s): A. Shibai, C. Furusawa
  • Organizer: The 20th International Conference on Systems Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] History-dependent Maintenance of Drug Resistant Phenotypes against Resistant Gene Deletion (2019)
  • Author(s): Yuta Koganezawa, Moritoshi Sato, Yuichi Wakamoto
  • Organizer: qBio 2019 Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自動化システムを用いた大腸菌進化実験:進化の予測と制御へ向けて (2019)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第92回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Analysis of Phenotypic Constraints and Plasticity by Microbial Laboratory Evolution (2019)
  • Author(s): C. Furusawa
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 生物システムの安定性と可塑性の理解へ向けて:実験室進化と理論解析 (2019)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: CBI学会2019年大会
  • Invited
• [Presentation] Toward prediction and control of microbial evolution: Analysis of phenotypic constraints in laboratory evolution (2019)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Dynamic association between gene expression and fitness in adaptive resistance (2019)
  • Author(s): 梅谷実樹、橋本幹弘、大倉玲子、古澤力、若本祐一
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] History Dependent Phenotypic Buffering of Bacteria against Drug Resistant Gene Deletion (2019)
  • Author(s): 小金澤優太、佐藤守俊、若本祐一
  • Organizer: 第92回日本細菌学会総会
  • Invited
• [Presentation] 適応度地形の動的変化を通した細菌進化のフィードバック制御の試み (2019)
  • Author(s): 芝井厚，古澤力
  • Organizer: 日本進化学会第21回大会
• [Presentation] A genetic tool to tune gene-inactivating mutation rate and its application to experimental evolution (2019)
  • Author(s): 金井雄樹, 津留三良, 古澤力
  • Organizer: 日本進化学会第21回大会
• [Presentation] 骨を用いた動物形態の機械学習 (2019)
  • Author(s): 堤真人
  • Organizer: 第59回生命科学夏の学校
• [Presentation] Laboratory evolution of Escherichia coli reveals constrained evolutionary states for antibiotic resistance (2019)
  • Author(s): 岩澤諄一郎, 前田智也, 堀之内貴明, 古澤力
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会
• [Presentation] Construction of a genetic tool for tuning gene-inactivating mutations and its application to experimental evolution of genome reduction (2019)
  • Author(s): Y. Kanai, S. Tsuru, C. Furusawa
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会
• [Presentation] Quantitation of cell shape by machine learning (2019)
  • Author(s): 堤真人, 古澤力, 澤井哲, 斉藤稔
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会
• [Presentation] 大腸菌を用いた実験室内進化におけるタンパク質の配列進化速度の制約 (2019)
  • Author(s): S. Tsuru, A. Shibai, C. Furusawa
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Fitness landscape of antibiotic-resistance evolution (2019)
  • Author(s): 平中優圭, 斉藤稔, 古澤力
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 近縁種の作るフェロモンを使って、S. pombeを交配させる実験的試み (2019)
  • Author(s): 清家泰介, 阪田奈津枝, 下田親, 仁木宏典, 古澤力
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム第52回研究報告会
• [Presentation] 自動培養系を用いた細菌実験進化のフィードバック制御の試み (2019)
  • Author(s): 芝井厚，古澤力
  • Organizer: 第11回生命情報科学若手の会
• [Presentation] ストレス条件と耐性獲得との関係に基づく細菌進化のフィードバック制御 (2019)
  • Author(s): 芝井厚，古澤力
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] A ubiquitous law in the rate of divergent evolution of protein sequence (2019)
  • Author(s): S. Tsuru, A. Shibai, C. Furusawa
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 耐性遺伝子の除去に抗した薬剤耐性表現型の履歴依存的な維持 (2019)
  • Author(s): 小金澤優太、佐藤守俊、若本祐一
  • Organizer: 第13回細菌学若手コロッセウム in みやぎ蔵王
• [Presentation] 耐性遺伝子の除去に抗した薬剤耐性表現型の履歴依存的な維持 (2019)
  • Author(s): 小金澤優太、佐藤守俊、若本祐一
  • Organizer: 第91回日本遺伝学会
• [Presentation] 全自動培養システムを用いた多種ストレス環境下における大腸菌の大規模実験室進化 (2019)
  • Author(s): 前田智也、岩澤諄一郎、堀之内貴、阪田奈津枝、川田正子、小谷葉月、酒井亜希、田邊久美、古澤力
  • Organizer: 第13回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] 細菌の薬剤耐性進化における変異率と進化速度の関係 (2019)
  • Author(s): 芝井厚, 井筒弥那子, 古澤力
  • Organizer: 第13回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] High-throughput Laboratory Evolution of E. coli to Unveil Phenotypic Plasticity and Constraint (2019)
  • Author(s): Chikara Furusawa, Takaaki Horinouchi, Tomoya Maeda
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 細菌の抗生物質耐性進化における最適変異率モデルと実験検証 (2018)
  • Author(s): 芝井厚, 井筒弥那子, 古澤力
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 「生物の状態変化をどのように記述すべきか：実験室進化と理論解析」 (2018)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第6回MACSコロキウム
  • Invited
• [Presentation] 「細胞状態の記述・予測・制御へ向けて：構成的実験と理論解析」 (2018)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: JST-CRDS 多次元生命システム研究開発戦略 科学技術未来ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 全自動培養システムを用いた多種ストレス環境下における大腸菌の大規模実験室進化 (2018)
  • Author(s): 前田智也、堀之内貴明、阪田奈津枝、川田正子、小谷葉月、酒井亜希、田邊久美、古澤力
  • Organizer: 生命科学系フロンティアミーティング2018
• [Presentation] High-throughput Laboratory Evolution of E. coli to Unveil Phenotypic Plasticity and Constraint (2018)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: 46th Naito Conference, Sapporo
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大規模実験室進化を用いた転写因子の破壊による大腸菌の薬剤耐性化の制御 (2018)
  • Author(s): 堀之内貴明, 前田智也 小谷葉月, 酒井亜希, 古澤力
  • Organizer: 日本生物工学会第70回大会
• [Presentation] 高変異率条件における細菌の長期実験進化 (2018)
  • Author(s): 芝井厚, 堀之内貴明, 古澤力, 津留三良
  • Organizer: 日本進化学会第20回大会
• [Presentation] 「生物システムの記述と制御に向けて：大腸菌進化実験と理論解析」 (2018)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第15回 生物数学の理論とその応用 -次世代の数理科学への展開-
  • Invited
• [Presentation] 「表現型進化はどのように拘束されているか：進化実験を用いた定量解析」 (2018)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 進化学会第20会大会
  • Invited
• [Presentation] High-throughput laboratory evolution of E. coli: toward understanding of phenotypic plasticity and constraint (2018)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: Euro EvoDevo2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-throughput Laboratory Evolution of E. coli to Unveil Phenotypic Plasticity and Constraint (2018)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: 1st Asia Evo., China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大腸菌進化実験を用いた進化的拘束の解析 (2018)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 生命の起源および進化学会第43 回学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Phenotypic Constraints Shaped by Evolution: Numerical and Experimental Approaches (2017)
  • Author(s): 7.Chikara Furusawa, Kunihiko Kaneko, Takaaki Horinouchi, Tomoya Maeda
  • Organizer: 生物物理学会第55 回年会
• [Presentation] 大腸菌の人工進化実験における表現型・遺伝子型の網羅的解析 (2017)
  • Author(s): 古澤力
  • Organizer: 第16 回微生物研究会-微生物の多様な生き様にせまる
  • Invited
• [Presentation] 大規模実験室進化とオミックス解析による大腸菌のストレス耐性機構の解析 (2017)
  • Author(s): 堀之内貴明, 前田智也, 古澤力
  • Organizer: 第69 回生物工学会大会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 大腸菌実験室進化とオミックス解析を用いて大腸菌の適応進化過程を解析する (2017)
  • Author(s): 堀之内貴明, 前田智也, 古澤力
  • Organizer: 第五回NGS現場の会
  • Invited
• [Presentation] 全自動培養システムを用いた多種ストレス環境下における大腸菌の大規模実験室進化 (2017)
  • Author(s): 前田智也, 堀之内貴明, 阪田奈津枝, 小谷葉月, 酒井亜希, 田邊久美, 古澤力
  • Organizer: 第12回日本ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] 全自動培養システムを用いた多種ストレス環境化における大腸菌進化ダイナミクスの解析 (2017)
  • Author(s): 前田智也, 堀之内貴明, 阪田奈津枝, 小谷葉月, 酒井亜希, 田邊久美, 古澤力
  • Organizer: 第16 回微生物研究会
• [Presentation] Phenotypic diversity and constraints in microbial adaptive evolution (2017)
  • Author(s): Chikara Furusawa
  • Organizer: Les Houches School“Evolution of Diversity ”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 定量生物学 (2018)
  • Author(s): 古澤力
  • Total Pages: 290
  • Publisher: 化学同人
  • ISBN: 9784759817300
• [Book] あなたのラボにAI（人工知能）×ロボットがやってくる (2017)
  • Author(s): 夏目 徹
  • Total Pages: 144
  • Publisher: 羊土社
  • ISBN: 9784758122368