Species and functions of rare actinomycetes in the post-Koch ecosystem

• Project Area: Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
• Project/Area Number: 19H05685
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大西 康夫 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (90292789)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 稲橋 佑起 北里大学, 感染制御科学府, 講師 (70645522) ; 松本 厚子 北里大学, 感染制御科学府, 准教授 (20300759)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥140,010,000 (Direct Cost: ¥107,700,000、Indirect Cost: ¥32,310,000); Fiscal Year 2023: ¥26,260,000 (Direct Cost: ¥20,200,000、Indirect Cost: ¥6,060,000); Fiscal Year 2022: ¥26,260,000 (Direct Cost: ¥20,200,000、Indirect Cost: ¥6,060,000); Fiscal Year 2021: ¥26,260,000 (Direct Cost: ¥20,200,000、Indirect Cost: ¥6,060,000); Fiscal Year 2020: ¥26,260,000 (Direct Cost: ¥20,200,000、Indirect Cost: ¥6,060,000); Fiscal Year 2019: ¥34,970,000 (Direct Cost: ¥26,900,000、Indirect Cost: ¥8,070,000)
• Keywords: 希少放線菌 / 菌株分離同定 / 二次代謝産物 / 生合成遺伝子クラスター / 新規生体成分 / 菌株単離 / 二次代謝 / 生合成酵素 / 形態分化 / Actinoplanes / 胞子嚢 / 遺伝子発現制御

Outline of Research at the Start

超地球生命体の生態系を微生物の種と機能に基づいて理解する「ポストコッホ機能生態系」を構築するためには、土壌優占種にとどまらず、希少微生物種の機能の解明が必要である。本計画研究は、希少放線菌に対象を絞り、モデル圃場等から未分離の希少放線菌を分離するとともに、既知種を含めた希少放線菌の新たな生理機能を明らかにすることにより、微生物の種と生理的性質の多様性を解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

(1) モデル圃場を含む分離源からの希少放線菌の分離
従来法に工夫を加えた分離法として、(i)リゾチーム添加、(ii) ペプシン添加、(iii)抗生物質前処理を行い、(i)では32種、(ii)では7種、(iii)では5種の希少放線菌を新たに分離した。従来法でも24種の希少放線菌を分離した。このうち、13種はrDNA配列より新種であると考えられた。また、モデル圃場のコムギの根および根圏から21種の希少放線菌を分離した。一方、マイクロ培養アレイシステム（196ウェル）を使用し、同じサンプルから通常の方法では分離できなかった5種の希少放線菌を分離した。さらに、マイクロデバイスを用いた共培養による希少放線菌分離システムの開発・改良に取り組んだ。
(2) 希少放線菌の新たな生理機能の解明
これまでに単離した希少放線菌のうち、新規性が高いと考えられる株のうち生育が早い6株について、ゲノム配列解析を行った。HiSeqによるリシーケンスを行うなどしてほぼ完全なゲノム配列を取得でき、ゲノムマイニング研究を開始した。また、この6株を含む29株の培養液をLC/UV/MS解析を用いたPCスクリーニングに供し、4株から化合物の単離・構造決定を行った結果、3種の新規化合物の同定に成功した。さらに、アラゾペプチン生合成におけるジペプチド合成の詳細を明らかにし、論文発表した。一方、モデル希少放線菌Actinoplanes missouriensisの研究においては、昨年度に引き続き、胞子嚢マトリクス多糖や最外層にトリアシルグリセロールを含む胞子嚢壁に関して研究を進めるとともに、胞子嚢形成や胞子嚢開裂、胞子嚢内での胞子の成熟化・休眠および覚醒、遊走子の発芽に関する分子制御に関する研究を行った。これら制御に関係する新たな遺伝子候補を遺伝学的手法によって複数見出し、機能解析を開始した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

マイクロ培養アレイシステム（196ウェル）によって、従来法では分離できない希少放線菌が分離されやすくなることを示唆する結果が得られた。マイクロデバイスを用いた共培養システムも完成の目処が立ちつつある。従来法に工夫を加えた方法による希少放線菌の単離も順調に継続できている。新規性が高いと考えられる希少放線菌6株のゲノム解析を完了し、ゲノムマイニングも開始した。また、PCスクリーニングにより、３種の新規化合物の同定に成功した。放線菌二次代謝産物の生合成研究においても、着実な進展が見られた。モデル希少放線菌の研究においては、胞子嚢内での胞子の成熟化に関与するアミダーゼの同定と機能解析、胞子べん毛のアセンブリーに関わる新規制御機構の解析で大きな進捗があった他、形態分化の制御に関わる新たな候補遺伝子を順遺伝学的手法によって複数見出すことができた。以上の結果より、研究計画全体は、おおむね順調に進展していると自己評価した。

Strategy for Future Research Activity

マイクロ培養アレイの利用に関しては、底のない196ウェルアレイを用いた共培養システムの開発を完了させ、実際にこれを用いた菌株分離を行う。一方、引き続きPCスクリーニングによる新規化合物の単離・同定を進めるとともに、ゲノムマイニングにより、新規生合成遺伝子クラスターの解析を行うことで、機能未知遺伝子の機能解明に繋げる。一方、モデル希少放線菌に関しては、2021年度に引き続き、胞子嚢マトリクス多糖の構造決定、その生合成酵素の機能解明、胞子嚢壁のトリアシルグリセロールの合成と分解に関与する酵素の同定と機能解析に重点をおきつつ、形態分化のさまざまなステージでの遺伝子発現制御機構の分子メカニズムに関する研究を行う。一方、新たに、Sporichthya属放線菌のユニークな生活環に関する研究を開始する。

Research Products

• [Journal Article] The α/β Hydrolase AzpM Catalyzes Dipeptide Synthesis in Alazopeptin Biosynthesis Using Two Molecules of Carrier Protein‐Tethered Amino Acid (2022)
  • Author(s): Kawai Seiji、Katsuyama Yohei、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 23 Issue: 7
  • DOI: 10.1002/cbic.202100700
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface structure and nanomechanical properties of <i>Actinoplanes missouriensis</i> sporangia analyzed via atomic force microscopy (2022)
  • Author(s): Tezuka Takeaki、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 86 Issue: 4 Pages: 552-556
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification and Analysis of the Biosynthetic Gene Cluster for the Indolizidine Alkaloid Iminimycin in <i>Streptomyces griseus</i> (2021)
  • Author(s): Tsutsumi Hayama、Katsuyama Yohei、Tezuka Takeaki、Miyano Rei、Inahashi Yuki、Takahashi Yoko、Nakashima Takuji、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 23 Issue: 3
  • DOI: 10.1002/cbic.202100517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and Molecular Basis of the Catalytic Mechanism of Geranyl Pyrophosphate C6‐Methyltransferase: Creation of an Unprecedented Farnesyl Pyrophosphate C6‐Methyltransferase (2021)
  • Author(s): Tsutsumi Hayama、Moriwaki Yoshitaka、Terada Tohru、Shimizu Kentaro、Shin‐ya Kazuo、Katsuyama Yohei、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 61 Issue: 1
  • DOI: 10.1002/anie.202111217
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complete Biosynthetic Pathway of Alazopeptin, a Tripeptide Consisting of Two Molecules of 6‐Diazo‐5‐oxo‐ l ‐norleucine and One Molecule of Alanine (2021)
  • Author(s): Kawai Seiji、Sugaya Yuko、Hagihara Ryota、Tomita Hiroya、Katsuyama Yohei、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 60 Issue: 18 Pages: 10319-10325
  • DOI: 10.1002/anie.202100462
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regulation of Sporangium Formation, Spore Dormancy, and Sporangium Dehiscence by a Hybrid Sensor Histidine Kinase inActinoplanes missouriensis: Relationship with the Global Transcriptional Regulator TcrA (2020)
  • Author(s): Hashiguchi Yuichiro、Tezuka Takeaki、Mouri Yoshihiro、Konishi Kenji、Fujita Azusa、Hirata Aiko、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Journal of Bacteriology Volume: 202 Issue: 21
  • DOI: 10.1128/jb.00228-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Involvement of three FliA‐family sigma factors in the sporangium formation, spore dormancy and sporangium dehiscence in Actinoplanes missouriensis (2020)
  • Author(s): Hashiguchi Yuichiro、Tezuka Takeaki、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Molecular Microbiology Volume: in press Issue: 6 Pages: 1170-1188
  • DOI: 10.1111/mmi.14485
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amycolatopsis pithecelloba sp. nov., a novel actinomycete isolated from roots of Pithecellobium dulce in Thailand (2020)
  • Author(s): Mingma Ratchanee、Inahashi Yuki、Matsumoto Atsuko、Takahashi Yoko、Duangmal Kannika
  • Journal Title: The Journal of Antibiotics Volume: 73 Issue: 4 Pages: 230-235
  • DOI: 10.1038/s41429-019-0271-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Streptomyces mimosae sp. nov., an endophytic actinomycete isolated from the root of Mimosa pudica in Thailand (2020)
  • Author(s): Klykleung Nattaporn、Yuki Masahiro、Kudo Takuji、Ohkuma Moriya、Phongsopitanun Wongsakorn、Inahashi Yuki、Matsumoto Atsuko、Tanasupawat Somboon
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 70 Issue: 5 Pages: 3316-3322
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.004170
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Micromonospora pelagivivens sp. nov., a new species of the genus Micromonospora isolated from deep-sea sediment in Japan (2020)
  • Author(s): Intra Bungonsiri、Panbangred Watanalai、Inahashi Yuki、Take Akira、Mori Mihoko、Omura Satoshi、Matsumoto Atsuko
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 70 Issue: 5 Pages: 3069-3075
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.004136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification and characterization of a cell wall hydrolase for sporangiospore maturation in Actinoplanes missouriensis (2019)
  • Author(s): Mitsuyama Kyota、Tezuka Takeaki、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Journal of Bacteriology Volume: 201 Issue: 24
  • DOI: 10.1128/jb.00519-19
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of Actinoplanes missouriensis zoospores and assay for their adherence to solid surfaces (2019)
  • Author(s): Tezuka Takeaki、Nakane Daisuke、Kimura Tomohiro、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: BIO-PROTOCOL Volume: 9 Issue: 24
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.3458
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 放線菌Actinoplanes missouriensisの極べん毛モーター回転計測 (2022)
  • Author(s): ◯高井 亮太郎、手塚 武揚、石田 翼、大西 康夫、曽和 義幸
  • Organizer: 2021年度べん毛研究交流会
• [Presentation] Search for the acyltransferase required for the formation of triacylglycerol-containing sporangium membrane in Actinoplanes missouriensis (2022)
  • Author(s): 〇Shixuan Hu, Satoshi Maeda, Takeaki Tezuka, Yasuo Ohnishi
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度 京都大会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensis における胞子嚢胞子の成熟に関わる細胞壁分解酵素AsmA の機能解析 (2022)
  • Author(s): 〇譚 鋳文、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度 京都大会
• [Presentation] 希少放線菌 Actinoplanes missouriensis の遊走子べん毛形成に必須な2 つの遺伝子（trxA，AMIS1780）に対するサプレッサー変異株の取得と解析 (2022)
  • Author(s): 〇鈴木 玲実、前田 聡史、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度 京都大会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensis が形成する胞子嚢の休眠と覚醒を制御する新規なシグマ-アンチシグマ因子制御系 (2022)
  • Author(s): 〇手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度 京都大会
• [Presentation] リゾチーム添加寒天培地より分離された希少放線菌 Embleya sp. K20-0267 が生産する新規物質Emblestatin (2022)
  • Author(s): 粟野 友太, 管藤 裕貴, 菊池 雄太, 君嶋 葵, 堤 隼馬, 岩月 正人, 浅見 行弘, 稲橋 佑起
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度 京都大会
• [Presentation] Biosynthesis of diazo group-containing natural products in actinobacteria (2021)
  • Author(s): Yohei Katsuyama
  • Organizer: 4th European Conference on Natural Products
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Alazopeptin生合成においてペプチド結合の形成を触媒するhydrolase, AzpMの機能解析 (2021)
  • Author(s): 川合 誠司, 勝山 陽平, 大西 康夫
  • Organizer: 2021年度 (第35回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisにおける胞子成熟に関わる細胞壁分解酵素遺伝子asmAの機能解析 (2021)
  • Author(s): 譚 鋳文, 手塚 武揚, 大西 康夫
  • Organizer: 2021年度 (第35回) 日本放線菌学会
• [Presentation] Search for the acyltransferase required for the formation of triacylglycerol-containing sporangium membrane in Actinoplanes missouriensis (2021)
  • Author(s): Shixuan Hu, Satoshi Maeda, Takeaki Tezuka, Yasuo Ohnishi
  • Organizer: 2021年度 (第35回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 希少放線菌 Actinoplanes missouriensis の遊走子べん毛形成に必須な2つの遺伝子（trxA, AMIS1780）に対するサプレッサー変異株の取得と解析 (2021)
  • Author(s): 鈴木 玲実, 前田 聡史, 手塚 武揚, 大西 康夫
  • Organizer: 2021年度 (第35回) 日本放線菌学会
• [Presentation] Analysis of the catalytic mechanism of geranyl pyrophosphate C-6 methyltransferase, BezA (2021)
  • Author(s): Yohei Katsuyama
  • Organizer: The 6th A3 foresight online symposium on “Chemical and Synthetic Biology of Natural Products”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Understanding the biosynthetic machineries utilizing thiotemplate system (2021)
  • Author(s): Yohei Katsuyama
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 希少放線菌の選択分離および新規生物活性物質の探索 (2021)
  • Author(s): 粟野 友太, 菅藤 裕貴, 堤 隼馬, 岩月 正人, 稲橋 佑起
  • Organizer: 第34回北里大学バイオサイエンスフォーラム
• [Presentation] リゾチーム添加寒天培地より分離された希少放線菌Embleya sp. K20-0267が生産する新規物質K20-0267A (2021)
  • Author(s): 粟野 友太, 菅藤 裕貴, 堤 隼馬, 岩月 正人, 稲橋 佑起
  • Organizer: 2021年度 (第35回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 根野菜からの放線菌の分離とその腸内環境生存能の評価 (2021)
  • Author(s): 武 晃, 阪口 義彦, 稲橋 佑起, 後藤 和義, 林 俊治, 加藤 はる, 大宮 直木
  • Organizer: 2021年度 (第35回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 希少放線菌の分離、分類、二次代謝産物探索 (2021)
  • Author(s): 稲橋 佑起
  • Organizer: 日本農芸化学会中部支部第191回例会
  • Invited
• [Presentation] 放線菌の形態分化制御と二次代謝産物生合成に関する研究 (2021)
  • Author(s): 大西 康夫
  • Organizer: 2020年度 学校法人北里研究所 第30回学会賞受賞者特別講演会
  • Invited
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢で休眠と覚醒を司るシグマ－アンチシグマ因子制御系の解析 (2021)
  • Author(s): 手塚武揚、光山京太、大西康夫
  • Organizer: 第15回（2021年）ゲノム微生物学会年会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisにおける胞子成熟に関わる細胞壁分解酵素遺伝子asmAの機能解析 (2021)
  • Author(s): 譚 鋳文、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢において休眠と覚醒を制御するシグマ－アンチシグマ因子制御系の機能解析 (2021)
  • Author(s): 手塚 武揚、光山 京太、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 放線菌研究から細胞の休眠と覚醒のメカニズムに迫る (2020)
  • Author(s): 大西 康夫
  • Organizer: 第60回生命科学夏の学校 ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 放線菌の形態分化制御と二次代謝産物生合成に関する研究 (2020)
  • Author(s): 大西 康夫
  • Organizer: 日本放線菌学会 大村賞受賞講演
  • Invited
• [Presentation] 放線菌が生産するジアゾ基含有トリペプチドalazopeptinの全生合成経路の解明 (2020)
  • Author(s): 川合 誠司、勝山 陽平、 菅谷 優子、 冨田 宏矢、 大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会関東支部2020年度大会
• [Presentation] Actinoplanes missouriensisの胞子嚢膜を構成する脂質のリピドーム解析 (2020)
  • Author(s): 前田 聡史、手塚 武揚、和泉 自泰、高橋 政友、馬場 健史、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢開裂を制御するシグマ－アンチシグマファクター系の同定と機能解析 (2020)
  • Author(s): 光山 京太、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢開裂を制御するClpプロテアーゼに関する研究 (2020)
  • Author(s): 鈴木 遼太、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢形成・開裂を制御するFliAレギュロンの機能解析 (2020)
  • Author(s): 手塚 武揚、漆間 功真、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 放線菌が生産するジアゾ基含有トリペプチドalazopeptinの全生合成経路の解明 (2020)
  • Author(s): 勝山 陽平、川合 誠司、菅谷 優子、冨田 宏矢、大西 康夫
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] 胞子嚢を形成する希少放線菌の形態分化に関する分子遺伝学的研究 (2019)
  • Author(s): 手塚 武揚
  • Organizer: 2019年度 (第34回) 日本放線菌学会
  • Invited
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢の形成と開裂に関与するClpプロテアーゼに関する研究 (2019)
  • Author(s): 鈴木 遼太、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 2019年度 (第34回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensis遊走子の運動停止に必須なタンパク質FtgA とべん毛構成装置タンパク質との相互作用解析 (2019)
  • Author(s): 矢田 佳子、木村 知宏、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 2019年度 (第34回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢膜構成成分の同定と機能解析 (2019)
  • Author(s): 前田 聡史、手塚 武揚、平田 愛子、和泉 自泰、馬場 健史、大西 康夫
  • Organizer: 2019年度 (第34回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢開裂に関わるシグマ－アンチシグマファクター制御システムの同定と機能解析 (2019)
  • Author(s): 光山 京太、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: 2019年度 (第34回) 日本放線菌学会
• [Presentation] Lysozyme添加培地により分離されたMicromonosporaceae科に属するOK19-0010株の分類研究 (2019)
  • Author(s): 菅藤 裕貴、武 晃、稲橋 佑起、大村 智、松本 厚子
  • Organizer: 2019年度 (第34回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 植物の根より分離されたStreptosporangiaceae科に属するK14-0274株の分類研究 (2019)
  • Author(s): 山田 祐輝、稲橋 佑起、武 晃、 池田 翔一、大村 智、松本 厚子
  • Organizer: 2019年度 (第34回) 日本放線菌学会
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢膜構成分の同定と機能解析 (2019)
  • Author(s): 前田 聡史、手塚 武揚、平田 愛子、和泉 自泰、馬場 健史、大西 康夫
  • Organizer: グラム陽性菌ゲノム機能会議
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢開裂に関与するシグマファクターの同定と機能解析 (2019)
  • Author(s): 光山 京太、手塚 武揚、大西 康夫
  • Organizer: グラム陽性菌ゲノム機能会議
• [Presentation] 希少放線菌Actinoplanes missouriensisの胞子嚢膜に局在する蛍光物質に関する研究 (2019)
  • Author(s): 鈴木 遼太、手塚 武揚、勝山 陽平、大西 康夫
  • Organizer: グラム陽性菌ゲノム機能会議
• [Presentation] Studies on the unique life cycle of the rare actinomycete Actinoplanes missouriensis (2019)
  • Author(s): Takeaki Tezuka
  • Organizer: The 4th A3 foresight symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物由来放線菌Acrocarpospora sp. K10-0603のゲノムからの新規物質探索 (2019)
  • Author(s): 稲橋 佑起、森下 結衣、木村 徹、須賀 拓弥、高橋 洋子、大村 智、中島 琢自
  • Organizer: 第11回北里化学シンポジウム
• [Remarks] 注目を集める希少放線菌の不思議に迫る研究：遊走子線毛の発見と機能解明
  • URL: https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/topics_20190710-1.html