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計算科学にもとづく「最適」無細胞分子システムのボトムアップ構築

計画研究

研究領域生物を陵駕する無細胞分子システムのボトムアップ構築学
研究課題/領域番号 21H05230
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

油谷 幸代  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究部門長 (10361627)

研究分担者 白井 智量  国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 上級研究員 (00639586)
本田 孝祐  大阪大学, 生物工学国際交流センター, 教授 (90403162)
研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
123,500千円 (直接経費: 95,000千円、間接経費: 28,500千円)
2025年度: 25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円)
2024年度: 26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)
2023年度: 26,130千円 (直接経費: 20,100千円、間接経費: 6,030千円)
2022年度: 25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)
2021年度: 19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)
キーワードノネナール / ATP生産システム / 最適化モデル / 酵素反応 / システム最適化 / 統計的因果推論 / ノネナール検出 / ATP合成システム / 無細胞分子システム / 人工解糖経路
研究開始時の研究の概要

本研究計画班は超越分子システム構築のための基盤技術開発として、(i) 無細胞分子システムの構成因子となる酵素を人為的に創出、(ii) 創出された酵素を含む各種分子群をシステムへと統合する際の最適化アルゴリズムを開発し、最適化された超越分子システムを構築する。課題(i)と(ii)を通じて、超越分子システム構築に必要な ①システム構築のための材料選定、②システム最適化設計、③設計されたシステムの物理的構築、という3段階の基盤技術を開発する。具体的な実用展開として「測る」機能を有した「においセンサーシステム」と「造る」機能を有した「天然を超えるATP合成能を有する超越分子システム」を構築する。

研究実績の概要

1.加齢臭の原因となるノネナール検出システムの開発
アルコール還元酵素を鋳型として、trans-2-ノネナールの基質結合に重要と推定されるアミノ酸残基に変異を導入したライブラリを100個程度作製した。これらの活性・耐熱性を評価したところ、活性や耐熱性が野生型よりも向上している変異酵素が数種類得られた。さらに、これらを訓練データとして用いて高活性型・高耐熱性型の変異酵素を予測するための機械学習モデルの構築に取り組んだ。複数のモデルに実装し、またハイパーパラメータなどの最適化を行い、精度向上に取り組んだ。
2.解糖系を超えるATP合成能を有する分子システムの構築
前年度までに作成した非酸化的解糖経路(NOG)カスケードの機能を拡張すべく、当該カスケードに適当な耐熱性酵素をアドオンすることで、(i) アデニンを基質としたATPの生産カスケード、(ii) アデニンとニコチンアミドを基質としたNAD生産カスケードを構築した。前者については、使用する酵素の最適化により、2 mMのアデニンを化学両論的にATPへと変換することができた。また、種々のグリコシル反応の糖供与体である(iii) UDP-グルコースの再生カスケードを構築し、これを用いたグルコースからのトレハロース生産を実証した。
3.Pure systemの開発への貢献
公開されているセルフリータンパク質合成システムのデータを元に、大規模アクティブラーニングの再現を実施するとともにオリジナルの構造推定技術を適用し、推定された構造をもとに4^11の組合せをシミュレーションした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

課題1、2ともに実施計画に記載した通りに進捗している。
具体的にいは、1.加齢臭の原因となるノネナール検出システムの開発については、白井がtrans-2-ノネナールの基質結合に重要と推定されるアミノ酸残基に変異を導入したライブラリを100個程度作製し、これらの活性・耐熱性を評価している。これまでに油谷が開発した最適化モデルやグラフ理論による酵素反応推定技術をこれから適用していく。
また、2.解糖系を超えるATP合成能を有する分子システムの構築については、本田が非酸化的解糖経路(NOG)カスケードの機能を拡張すべく、当該カスケードに適当な耐熱性酵素をアドオンすることで、(i) アデニンを基質としたATPの生産カスケード、(ii) アデニンとニコチンアミドを基質としたNAD生産カスケードを構築している。今後は最適化技術を本システムに適用していく予定である。
また他計画班との共同研究についても基盤となる最適化技術を開発し、後半にむけて共同研究をすすめていく予定である。

今後の研究の推進方策

これまで個々の課題解決に必要となる技術基盤の開発を実施してきた。今年度からはそれぞれの技術の融合を実現していく。
具体的には、1.のノネナール検出については、白井が開発してきた技術やこれまでに評価してきた酵素反応に対し、油谷の開発した化学物質構造特徴量抽出技術を組み合わせたツール開発を開始する。これらのツールを作成することで、、必要な酵素反応の触媒機能強化につながることが期待される。
次に2.の分子システム構築については、本田が獲得してきたデータを元に最適化技術を適用した解析を実施する。これらのデータ解析が期待するATP合成量を達成するかどうかを確認し、必要に応じて技術のチューニングを実施する。
他の計画班との共同研究については、各データが供与され次第、計算を実施し解析結果をフィードバックすることで各技術の向上に貢献する。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 3件、 査読あり 13件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 5件、 招待講演 10件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Investigation of two metabolic engineering approaches for (R,R)-2,3-butanediol production from glycerol in Bacillus subtilis2023

    • 著者名/発表者名
      Vikromvarasiri Nunthaphan、Noda Shuhei、Shirai Tomokazu、Kondo Akihiko
    • 雑誌名

      Journal of Biological Engineering

      巻: 17 号: 1 ページ: 3-13

    • DOI

      10.1186/s13036-022-00320-w

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Cell-Free Production and Regeneration of Cofactors2023

    • 著者名/発表者名
      Gladwin Suryatin Alim, Takuma Suzuki, Kohsuke Honda
    • 雑誌名

      Adv Biochem Eng Biotechnol

      巻: 186 ページ: 29-50

    • DOI

      10.1007/10_2023_222

    • ISBN
      9783031430244, 9783031430251
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Chitin- and Streptavidin-Mediated Affinity Purification Systems: A Screening Platform for Enzyme Discovery2023

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Kato, Koki Takeuchi, Motonao Iwaki, Kentaro Miyazaki, Kohsuke Honda, Takashi Hayashi
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie

      巻: Volume135, Issue31 号: 31

    • DOI

      10.1002/ange.202303764

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] One-Step Preparation of Cell-Free ATP Regeneration Module Based on Non-Oxidative Glycolysis Using Thermophilic Enzymes2022

    • 著者名/発表者名
      Gladwin Suryatin Alim, Kenji Okano, Kohsuke Honda
    • 雑誌名

      ChemBioChem

      巻: 23 号: 16

    • DOI

      10.1002/cbic.202200210

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In Silico Design Strategies for the Production of Target Chemical Compounds Using Iterative Single-Level Linear Programming Problems.2022

    • 著者名/発表者名
      Tomokazu Shirai, Akihiko Kondo.
    • 雑誌名

      Biomolecules

      巻: 12 号: 5 ページ: 620-620

    • DOI

      10.3390/biom12050620

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Metabolic engineering design to enhance (R,R)-2,3-butanediol production from glycerol in Bacillus subtilis based on flux balance analysis.2021

    • 著者名/発表者名
      Vikromvarasiri Nunpathan, Tomokazu Shirai, Akihiko Kondo.
    • 雑誌名

      Microb. Cell Fact.

      巻: 20 号: 1 ページ: 196-196

    • DOI

      10.1186/s12934-021-01688-y

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Direct 1,3-butadiene biosynthesis in Escherichia coli via a tailored ferulic acid decarboxylase mutant2021

    • 著者名/発表者名
      Yutaro Mori, Shuhei Noda, Tomokazu Shirai, Akihiko Kondo
    • 雑誌名

      Nat. Commun.

      巻: 12 号: 1 ページ: 2195-2195

    • DOI

      10.1038/s41467-021-22504-6

    • NAID

      120007035635

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improvement of production yield of l-cysteine through in vitro metabolic pathway with thermophilic enzymes2021

    • 著者名/発表者名
      Makoto Imura, Shinichi Etoh, Ryo Iwakiri, Kenji Okano, Kohsuke Honda
    • 雑誌名

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      巻: 132 号: 6 ページ: 585-591

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2021.09.003

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heterologous gene expression and characterization of two serine hydroxymethyltransferases from Thermoplasma acidophilum2021

    • 著者名/発表者名
      Ma’ruf Ilma Fauziah, Yuka Sasaki, Kerbs Anastasia, Jochen Niesser, Yu Sato, Hironori Taniguchi, Kenji Okano, Shigeru Kitani, Restiawaty Elvi, Akhmaloka, Kohsuke Honda
    • 雑誌名

      Extremophiles

      巻: 25 号: 4 ページ: 393-402

    • DOI

      10.1007/s00792-021-01238-9

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] In vitro production of coenzyme A using thermophilic enzymes2021

    • 著者名/発表者名
      Gladwin Suryatin Alim, Tomoka Iwatani, Kenji Okano, Shigeru Kitani, Kohsuke Honda
    • 雑誌名

      Applied Environmental Microbiology

      巻: 87 号: 14

    • DOI

      10.1128/aem.00541-21

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multivariate statistical monitoring system for microbial population dynamics2021

    • 著者名/発表者名
      Ishiya Koji、Aburatani Sachiyo
    • 雑誌名

      Physical Biology

      巻: 19 号: 1 ページ: 016003-016003

    • DOI

      10.1088/1478-3975/ac3ad6

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Rapid reprogramming of tumour cells into cancer stem cells on double-network hydrogels2021

    • 著者名/発表者名
      Suzuka J, Tsuda M, Wang L, Kohsaka S, Kishida K, Semba S, Sugino H, Aburatani S, Frauenlob M, Kurokawa T, Kojima S, Ueno T, Ohmiya Y, Mano H, Yasuda K, Gong JP, Tanaka S
    • 雑誌名

      Nat Biomed Eng

      巻: - 号: 8 ページ: 914-925

    • DOI

      10.1038/s41551-021-00692-2

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Selection of the optimal tyrosine hydroxylation enzyme for (S)-reticuline production in Escherichia coli2021

    • 著者名/発表者名
      Nakagawa Akira、Nakamura Shinya、Matsumura Eitaro、Yashima Yurino、Takao Mizuki、Aburatani Sachiyo、Yaoi Katsuro、Katayama Takane、Minami Hiromichi
    • 雑誌名

      Applied Microbiology and Biotechnology

      巻: 105 号: 13 ページ: 5433-5447

    • DOI

      10.1007/s00253-021-11401-z

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Improvement of Free Fatty Acid Secretory Productivity in Aspergillus oryzae by Comprehensive Analysis on Time-Series Gene Expression2021

    • 著者名/発表者名
      Pui Shan Wong, Koichi Tamano, Sachiyo Aburatani
    • 雑誌名

      Frontiers in Microbiology

      巻: 12 ページ: 605095-605095

    • DOI

      10.3389/fmicb.2021.605095

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 好熱菌由来酵素を用いたATP生産カスケードの構築2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木琢磨、Suryatin Alim Gladwin、宮崎健太郎、冨田宏矢、本田孝祐
    • 学会等名
      日本生物工学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] In Vitro Reconstitution of Non-oxidative Glycolysis with Thermophilic Enzymes2023

    • 著者名/発表者名
      Kohsuke Honda, Gladwin Suryatin Alim, Takuma Suzuki
    • 学会等名
      The 3rd Japan-Switzerland-Germany Workshop on Biocatalysis and Bioprocess Development
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design and Implementation of In Vitro Synthetic Pathway with Thermophilic Enzymes2023

    • 著者名/発表者名
      Kohsuke Honda
    • 学会等名
      The 14th TOYOTA Riken International Workshop
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Module for cell-free ATP regeneration based on non-oxidative glycolysis with thermophilic enzymes2022

    • 著者名/発表者名
      Gladwin SURYATIN ALIM、Jonathan EKAPUTRA、岡野憲司、本田孝祐
    • 学会等名
      酵素工学研究会第87回講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] In Vitro Reconstitution of Synthetic Metabolic Pathway using Thermophilic Enzymes2022

    • 著者名/発表者名
      Kohsuke HONDA
    • 学会等名
      The 34th Annual Meeting of the Thai Society for Biotechnology and International Conferenc
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] In vitro reconstitution of non-oxidative glycolysis and its application to chemical synthesis2022

    • 著者名/発表者名
      Kohsuke HONDA
    • 学会等名
      The 34th Annual Meeting of the Thai Society for Biotechnology and International Conferenc
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 人工代謝経路設計による微生物を用いた化石資源由来化合物の生産2022

    • 著者名/発表者名
      白井智量
    • 学会等名
      日本バイオインフォマティクス学会年会 第11回生命医薬情報学連合大会(IIBMP2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工代謝経路設計技術を利用した有用化合物の微生物による生産2022

    • 著者名/発表者名
      白井智量
    • 学会等名
      第74回日本生物工学会大会 シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工代謝経路の構築による合成ゴム原料の微生物発酵生産2022

    • 著者名/発表者名
      白井智量
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工代謝経路設計による有用化合物のバイオ生産に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      白井智量
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工代謝経路のデザイナビリティを拡張するユニークな微生物酵素たち2021

    • 著者名/発表者名
      本田孝祐
    • 学会等名
      領域新学術領域「ポストコッホ生態」&ACT-X「環境とバイオテクノロジー」合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞の外側で代謝反応を駆動する2021

    • 著者名/発表者名
      本田孝祐
    • 学会等名
      第15回メタボロームシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Type III Pantothenate Kinase from Thermus thermophilus and Its Application in Coenzyme A Production2021

    • 著者名/発表者名
      Kohsuke HONDA
    • 学会等名
      2nd Japan-Switzerland-Germany Workshop on Biocatalysis and Bioprocess Development
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 好熱好酸性アーキア Thermoplasma acidophilum 由来の 2 種類のセリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼの異種発現及び機能解析2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤 悠, Maruf Ilma Fauziah, 佐々木由佳, Krebs Anastasia, Nieber Jochen, 谷口博範, 岡野憲司, 木谷 茂, Restiawaty Elvi, Akhmaloka, 本田孝祐
    • 学会等名
      第73回 日本生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 発酵法・酵素法を組み合わせたハイブリッド型バイオ変換システムの開発2021

    • 著者名/発表者名
      上杉尚輝, 佐藤 悠, 岡野憲司, 木谷 茂, Kerb Anastasia, Wendisch Volker, 本田孝祐
    • 学会等名
      第73回 日本生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 微生物を活用した有用物質の製造技術2023

    • 著者名/発表者名
      白井智量, 森裕太郎
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      CMC出版
    • ISBN
      9784781317403
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] Genomics and the Global Bioeconomy (Translational and Applied Genomics) Chapter 3: Computational approaches for smart cell creation in the bioeconomy era.2022

    • 著者名/発表者名
      Sachiyo Aburatani, Koji Ishiya, Tomokazu Shirai, Yosuke Shida, Wataru Ogasawara, Hiroaki Takaku, and Tomohiro Tamura.
    • 総ページ数
      23
    • 出版者
      ELSEVIER
    • ISBN
      9780323916028
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2025-06-20  

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