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Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system

Planned

Project AreaPost-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
Project/Area Number 19H05682
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

野村 暢彦  筑波大学, 生命環境系, 教授 (60292520)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 豊福 雅典  筑波大学, 生命環境系, 准教授 (30644827)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥90,740,000 (Direct Cost: ¥69,800,000、Indirect Cost: ¥20,940,000)
Fiscal Year 2022: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2020: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2019: ¥23,660,000 (Direct Cost: ¥18,200,000、Indirect Cost: ¥5,460,000)
Keywords複合微生物 / イメージング解析 / 相互作用 / 遺伝子解析 / 複合微生物系バイオフィルム / 排水処理 / 細菌
Outline of Research at the Start

新規イメージング解析技術を用いることによって、3 次元構造をとる複合微生物系中の任意の微生物細胞を、空間配置そのままで、培養を介さず各微生物細胞に蛍光指紋をタグ付けを行う。そして、これまで分離・培養できなかった難培養性微生物を識別・分離・解析する技術を構築し、複合微生物系を構成するダークマター微生物(難培養性微生物)を分離可能にするポストコッホ微生物分離システムを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

現代の微生物研究の手法は、19 世紀に確立されたコッホ型微生物学、即ち、寒天培地を用いて微生物を純粋分離するという旧態依然とした手 法に頼ってきた。しかし、環境のメタゲノム解析によって99%以上に及ぶ未分離・未解明の微生物にアクセスすることは極めて難しいことが分 かってきた。つまり、自然界の大部分の微生物は従来の手法では純粋分離できないのである。超地球生命体を構成する多様な微生物を知るため には、コッホの微生物学の殻を破る新たな「ポストコッホ技術」を確立し、「ポストコッホ機能生態系モル」を創生する必要があるイメージン グ解析技術を用いて複合微生物系を分離せずに各微生物細胞のタグ付けを行う。具体的には、新規イメージング解析技術CRIFを用いることによって、3 次元構造をとる複合微生物系中の任意の微生物細胞を、空間配置そのままで、培養を介さ ず各微生物細胞に蛍光指紋をタグ付けを行う。そして、これまで分離・培養できなかった難培養性微生物を識別・分離・解析する技術を構築し 、複合微生物系を構成するダークマター微生物(難培養性微生物)を分離可能にするポストコッホ微生物分離システムを開発する。
排水処理に用いられる活性汚泥は、複数の微生物が安定して存在する複合微生物系であることが知られている。また、領域全体で解析を進める モデル圃場の土壌と泥状の性状を示す点で類似している。そこで、まず活性汚泥を含む様々な複合微生物系サンプルを用いて、CRIF 解析による各微生物細胞のタグ付け を行う手法をすすめた。排水処理で最も重要な脱窒に関わる細菌をはじめ、大きさ・形のみでは判別不可能な細菌種をCRIFにより、分類つまりタグ付け出来る事が確認出来た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

複合系微生物サンプル由来の各種細菌のタグ付けに新規イメージング解析技術(CRIF)が適用できる事がわかったことは、本新学術プロジェクトの展開また意義づけに大きく貢献するものである。
さらに、新規イメージング解析技術(CRIF)に おいて可視領域以外の励起波長により、当初の予想に反し 、定性評価が飛躍的に向上することが明らかとなった。本知見は、細胞の定性能の精度をさらに向上させるものであり、知的財産になると考えられ、そこについてもさらに解析を進めることとなった。

Strategy for Future Research Activity

新規イメージング解析技術(CRIF)は、自家蛍光シグネチャーに基づいて細胞の増殖状態や生育条件を高感度に判別できること、細胞の生理状態によって自家蛍光シグネチャーが変化することが明らかになってきた。本新学術プロジェクトの展開において、複合微生物系における微生物間相互作用をCRIFを用いて、非破壊・未処理でその細胞間の相互作用を理解することが最終目的になる。そこで、微生物間相互作用の中でもクオラムセンシング (Quorum sensing、QS) に着目する。QSは細胞密度の変動に応答して個々の細胞がシグナルを生産・受容し、QSが活性化すると遺伝子発現が変化する。細胞の生理状態を反映する自家蛍光シグネチャーをCRIFを用いることで、非破壊・未処理で細胞集団のQSの活性を予測・診断することができると期待される。QSの活性化は病原性発現などにも関係してることから、今後新たな研究手法の一つとしてだけでなく、環境中の細菌診断のみならず医療方面などでの細菌制御技術への応用も見込める。

Report

(1 results)
  • 2019 Annual Research Report

Research Products

(73 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 6 results) Presentation (50 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 37 results) Book (9 results)

  • [Journal Article] Sakamoto S, Nobu MK, Mayumi D, Tamazawa S, Kusada H, Yonebayashi H, Iwama H, Ikarashi M, Wakayama T, Maeda H, Sakata S, Tamura T, Nomura N,2021

    • Author(s)
      Sakamoto S, Nobu MK, Mayumi D, Tamazawa S, Kusada H, Yonebayashi H, Iwama H, Ikarashi M, Wakayama T, Maeda H, Sakata S, Tamura T, Nomura N,
    • Journal Title

      Syst Appl Microbiol

      Volume: 44 Pages: 126154-126154

    • DOI

      10.1016/j.syapm.2020.126154

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  • [Journal Article] Mycolic acid-containing bacteria trigger distinct types of membrane vesicles through different routes2021

    • Author(s)
      Nagakubo Toshiki、Tahara Yuhei O.、Miyata Makoto、Nomura Nobuhiko、Toyofuku Masanori
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 24 Pages: 102015-102015

    • DOI

      10.1016/j.isci.2020.102015

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Diversity of physical properties of bacterial extracellular membrane vesicles revealed through atomic force microscopy phase imaging2020

    • Author(s)
      Kikuchi Yousuke、Obana Nozomu、Toyofuku Masanori、Kodera Noriyuki、Soma Takamitsu、Ando Toshio、Fukumori Yoshihiro、Nomura Nobuhiko、Taoka Azuma
    • Journal Title

      Nanoscale

      Volume: 12 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1039/c9nr10850e

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Involvement of membrane vesicles in long‐chain‐ AHL delivery in Paracoccus species2020

    • Author(s)
      Morinaga Kana、Nagakubo Toshiki、Nomura Nobuhiko、Toyofuku Masanori
    • Journal Title

      Environ Microbiol Rep

      Volume: 12 Pages: 355-360

    • DOI

      10.1111/1758-2229.12843

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  • [Journal Article] Biofilm Formation by <i>Streptococcus mutans</i> is Enhanced by Indole via the Quorum Sensing Pathway2020

    • Author(s)
      Inaba Tomohiro、Obana Nozomu、Habe Hiroshi、Nomura Nobuhiko
    • Journal Title

      Microb. Environ.

      Volume: 35 Issue: 2 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1264/jsme2.me19164

      10.1264/jsme2.ME19164

    • NAID

      130007837477

    • ISSN
      1342-6311, 1347-4405
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reconstruction of Single-Cell Innate Fluorescence Signature by Confocal Microscopy2020

    • Author(s)
      Tomohiro Hirayama, Kyosuke Takabe, Tatsunori Kiyokawa, Nobuhiko Nomura, Yutaka Yawata
    • Journal Title

      Journal of Visualised Experiments

      Volume: 159

    • DOI

      10.3791/61120

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  • [Journal Article] Synergy between Sophorolipid Biosurfactant and SDS Increases the Efficiency of P. aeruginosa Biofilm Disruption2020

    • Author(s)
      Nguyen BVG, Nagakubo T, Toyofuku M, Nomura N, Utada AS
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 36 Pages: 6411-6420

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c00643

    • NAID

      120007132630

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  • [Journal Article] Temperature-regulated heterogeneous extracellular matrix gene expression defines biofilm morphology in Clostridium perfringens2020

    • Author(s)
      Obana N, Nakamura K, Nomura N.
    • Journal Title

      npj Biofilms and Microbiomes

      Volume: 6 Pages: 29-29

    • DOI

      10.1038/s41522-020-00139-7

    • NAID

      120007147871

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  • [Journal Article] Potential Risk of Spreading Resistance Genes within Extracellular-DNA-Dependent Biofilms of Streptococcus mutans in Response to Cell Envelope Stress Induced by Sub-MICs of Bacitracin2020

    • Author(s)
      Nagasawa Ryo、Sato Tsutomu、Nomura Nobuhiko、Nakamura Tomoyo、Senpuku Hidenobu
    • Journal Title

      Applied and Environmental Microbiology

      Volume: 86

    • DOI

      10.1128/aem.00770-20

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Fungal mycelia and bacterial thiamine establish a mutualistic growth mechanism.2020

    • Author(s)
      Abeysinghe G, Kuchira M, Kudo G, Masuo S, Ninomiya A, Takahashi K, Utada AS, Hagiwara D, Nomura N, Takaya N, Obana N, Takeshita N.
    • Journal Title

      Life Science Alliance

      Volume: 3

    • DOI

      10.26508/lsa.202000878

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Competence-stimulating peptide-dependent localized cell death and extracellular DNA production in Streptococcus mutans biofilms2020

    • Author(s)
      Nagasawa R, Yamamoto T, Utada AS, Nomura N, Obana N
    • Journal Title

      Applied and Environmental Microbiology

      Volume: 86 Pages: 1-17

    • DOI

      10.1128/aem.02080-20

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Point Mutations Lead to Increased Levels of c-di-GMP and Phenotypic Changes to the Colony Biofilm Morphology in <i>Alcanivorax borkumensis</i> SK22019

    • Author(s)
      Prasad, M., Obana, N., Sakai, K., Nagakubo, T., Miyazaki, S., Toyofuku, M., Fattaccioli, J., Nomura, N. and Utada A. S.
    • Journal Title

      Microb. Environ.

      Volume: 34 Issue: 1 Pages: 104-107

    • DOI

      10.1264/jsme2.me18151

      10.1264/jsme2.ME18151

    • NAID

      130007627746

    • ISSN
      1342-6311, 1347-4405
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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Intra- and Interspecies Variability of Single-Cell Innate Fluorescence Signature of Microbial Cell2019

    • Author(s)
      Yawata Yutaka、Kiyokawa Tatsunori、Kawamura Yuhki、Hirayama Tomohiro、Takabe Kyosuke、Nomura Nobuhiko
    • Journal Title

      Applied and Environmental Microbiology

      Volume: 85 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1128/aem.00608-19

    • NAID

      120007133099

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  • [Journal Article] Polyfunctional nanofibril appendages mediate attachment, filamentation, and filament adaptability in Leptothrix cholodnii2019

    • Author(s)
      Kunoh T, Morinaga K, Sugimoto S, Miyazaki S, Toyofuku M, Iwasaki K, Nomura N, Utada AS
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 14 Pages: 5288-5297

    • DOI

      10.1021/acsnano.9b04663

    • NAID

      120007132616

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    • Author(s)
      野村暢彦
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      電子情報通信学会システムナノ技術に関する特別研究専門委員会主催  第1回研究会「科学技術イノベーションを創成する先進システムナノ技術」
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      日本微生物連盟 野本賞受賞講演
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      野村暢彦
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      2020年度界面動電現象研究会
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  • [Presentation] 集団微生物学としてのバイオフィルム研究2021

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  • [Presentation] Streptococcus mutansバイオフィルム形成における細胞死と細胞外DNA産生2021

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      永沢 亮、Andrew S. Utada、野村暢彦、尾花 望
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      豊福雅典
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      野村暢彦
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      豊福雅典
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      Yoshihiko Tabushi, Nozomu Obana, Nobuhiko Nomura
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      Chika Yamamoto, Ryo Nagasawa, Nozomu Obana, Nobuhiko Nomura, Masanori Toyofuku
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      Yuta Hasegawa, Hiroko Kato, Nozomu Obana, Nobuhiko Nomura
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      野村暢彦
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      Yamamoto T, Toyofuku M, Nomura N.
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Published: 2019-07-04   Modified: 2022-07-01  

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