| Project/Area Number |
19K22927
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
二又 裕之 静岡大学, グリーン科学技術研究所, 教授 (50335105)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 微生物生態系 / 代謝 / システム制御 / ネットワーク / 共存 / リデザイン / 恒常性 / 不安定性 |
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| Outline of Research at the Start |
地球生態系の機能維持に微生物は集団として深く関与し好適制御が希求されていることから、安定的機能維持機構の理解が必要不可欠である。
実際の微生物生態系は複雑過ぎて解析困難である為、分離菌株を用いた合成微生物生態系を構築し解析してきた。その結果、純粋培養系では活性が維持されるにも関わらず、集団では系そのものが破綻した。これまでの研究から、機能維持された系では微生物間代謝ネットワークの重要性を示唆する結果が得られている。そこで本研究では、微生物間代謝ネットワークを切り口に、モデル微生物生態系の破綻機構の解明とその再生機構の糸口を得る為の研究を実施する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、地球規模での物質循環から環境浄化・ヒトの健康に至るまで、様々な領域で関与している微生物生態系の制御を最終目的とし、その形成メカニズムの解明を目的としている。自然界における微生物生態系は、多種多様な微生物が相互に作用しつつ構成されており、また、それ故に形成メカニズムを直接的に取り扱うことは現時点において極めて困難である。その為本研究では、３種類の微生物を混合し人工モデル微生物生態系を構築し、その形成メカニズムの解明を目指した。
供試した異なる属種の３菌株全てはフェノールを唯一の炭素源として生育可能である。そこで、フェノールを用いて３菌株混合の連続集積培養系を構築した。このメリットは、連続集積培養系がフェノールを安定して分解しているかどうかで、システム全体の機能が維持されているかを判別可能であること、また、システム全体の機能と供試微生物の動態を解析することにより、形成メカニズムの解明に至る糸口を見つけられるのではないかと想定した。
その結果、３菌株間で代謝ネットワークが形成され、ある株はフェノールとカテコールの分解を担い、他の株は主として代謝産物を利用している様が浮き彫りになった。この様な代謝ネットワークが形成せれる要因として微生物間相互作用に着目した。実際の培養系で相互作用を直接的に測定することは現時点では不可能である。そこで数理モデルを構築し、実際の共存時と近似状態における共存点を解析した。その結果、約5000点の共存状態の内、実際の共存時と近似状態はその0.05%以下であり、かつ、複数の相互作用状態が示唆された。本結果は、相互作用の揺らぎが代謝ネットワーク形成に寄与していることを示唆している。一方で、代謝ネットワーク固定状態では相互作用の固定化が想定される。しかし、固定化状態で安定性が維持されるのか、見逃している作用があるのかは今後の解析が必要である。
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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
供試菌株を用いて安定したモデル微生物生態系を作ることは意外と難しく、その中で極めて安定性および再現性が高い系を構築できた点は、本研究の独創性を高める点でも貢献している。微生物群集の共存機構について数理モデル解析が著しく進展している一方で、実際の培養系を用いて代謝ネットワークが形成されていることを示している研究は意外と少ない。その点で、本モデル系の特徴は、全ての供試菌株はphenol資化能を有するにも関わらず、役割分担が生じた事を、実際の培養系を用いて示した点に意義がある。
また、実際の培養系と数理モデルを組み合わせた解析は、解析事例としては世界的にも未だ少ない。役割分担が生じる要因として微生物間相互作用に着目し、実際の相互作用結果を基にした数理モデル式をLotka-Volterra式を基に構築した。相互作用を加味し共存点における相互作用を解析した事例はほとんどなく、また、実測も不可能であることから極めて独創性の高い研究へと進展している。実際の微生物間における相互作用はある程度揺らぎがあると想定していたものの、数理モデルにおいても相互作用の揺らぎが確認されたことから、一見安定的に見える微生物生態系が動的平衡状態にあることが示された。この結果は、本研究で構築した数理モデルの有効性と同時に、微生物生態系のリデザインを図る上での有益性を示唆しており、今後の新しい展開に向けた突破口となり得ると考えられる。
我々の研究成果はこの一般常識を覆す結果で有り、微生物生態学および微生物を利用する諸々の産業にとって、好適制御の観点から解析する切り口や制御の考え方に一石を投じるものであり、有益な成果と評価できる。また、後述するように前年に引き続き学術論文１報が受理され、現在２報を投稿中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、菌株間相互作用が微生物生態系の機能的安定性に及ぼす影響を理解する為には、実際の培養系における相互作用を把握する必要がある。その為、モデル微生物生態系の培養上清を用いて供試菌株の増殖に及ぼす影響を時系列的に解析する必要がある。ここで得られる相互作用と群集動態との関連性およびトランスクリプトーム解析から得られる代謝ネットワーク状態を総合的に解析し、代謝ネットワーク形成がどの様な機構で形成されるのかを解析する。
次に、供試菌株の中でLAB-08株は他の２菌株の増殖を極めて強く抑制する。どの様な相互作用物質なのか、あるいは、その物質をコードしている遺伝子を特定する。その遺伝子破壊株ができれば、相互作用を著しく欠失したモデル微生物生態系を構築可能となる。現在、対象となる相互作用物質について大まかな推定ができており、対象遺伝子の特定化を行う予定である。
更には、これまで３菌株を用いたモデル微生物生態系を用いて解析を実施して来た。それ以外にも非常に不安定な培養系も複数見出している。これらの不安定さの要因についても相互作用の観点から数理モデルを併用しつつ解析する。更には、不安定な培養系を安定な系へと変化させる為に追加する微生物株の相互作用的特徴を数理モデルから導出し、実際にその様な特性の微生物を培養系に添加することで、安定化が図れるのかどうかについて検討する。本研究成果は、微生物生態系のリデザイン化を図る上で必要となる解析手法の確立と重要な着眼点の提供を可能にすると考えられる。
最後に、モデル微生物生態系では、どうしても特定の菌株や微生物種数に限られてしまう。その為、土壌等を接種源とした複雑系を構築し、システムの安定性が相互作用の観点から紐解けるのかどうか、あるいは、解析すべき新たな切り口を見出したいと考えている。
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Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
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[Book] Green Science and Technology2019
Author(s)
K. Suzuki, R. Owen, A. Yui, S. Ando, Y. Kudo, K. Yasuike, Y. Tashiro, and H. Futamata
Total Pages
168
Publisher
Tayler & Francis Group
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