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モデルベース設計を基盤とした指向性進化による高効率細胞プロセス創製の確立と展開

研究課題

研究課題/領域番号 19H05626
研究種目

基盤研究(S)

配分区分補助金
審査区分 大区分D
研究機関大阪大学

研究代表者

清水 浩  大阪大学, 情報科学研究科, 教授 (00226250)

研究分担者 戸谷 吉博  大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (70582162)
鈴木 宏明  中央大学, 理工学部, 教授 (20372427)
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)
堀之内 貴明  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, 研究員 (60610988)
研究期間 (年度) 2019-06-26 – 2024-03-31
研究課題ステータス 交付 (2021年度)
配分額 *注記
187,460千円 (直接経費: 144,200千円、間接経費: 43,260千円)
2022年度: 37,310千円 (直接経費: 28,700千円、間接経費: 8,610千円)
2021年度: 37,310千円 (直接経費: 28,700千円、間接経費: 8,610千円)
2020年度: 41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)
2019年度: 34,060千円 (直接経費: 26,200千円、間接経費: 7,860千円)
キーワード代謝工学 / ゲノムスケールモデル / 指向性進化 / ロボット / マイクロリアクタ
研究開始時の研究の概要

本研究では、大腸菌を用いて燃料や化製品素材などを生産する細胞を創製するために、シミュレーションによって代謝経路をデザインし、ロボット工学とマイクロ流路工学に基づく指向性進化によって、代謝を高度化する方法を確立することを目的とする。ゲノムスケールモデルを利用し、大腸菌の細胞増殖と目的物質生産が連動するように代謝経路をデザインする。ロボットによる継代培養や多系列のマイクロ流路連続培養系により指向性進化を誘導し、代謝変換における律速点を解消する。得られた進化株を解析することで、代謝経路の阻害点を網羅的に抽出し、中枢代謝フラックスを自在に調整するための汎用的な知見を提供する。

研究実績の概要

微生物は細胞内に複雑に相互作用する多数の代謝反応を持つため、目的物質生産のために代謝を最適化するのは容易なことではない。本研究では、微生物代謝を統一的に理解し、合理的にデザインできる代謝工学を確立することを目的としている。有用物質生産の宿主微生物である大腸菌について、様々な炭素源、異なる前駆体から合成される目的物質を設定することで、代謝経路の律速点を網羅的に抽出するための研究を行う。中枢代謝の主要な経路のフラックスを増加するための原理を抽出し、代謝を自在に操る手法を確立することを目指す。すなわち、ゲノムスケールモデルを用い、細胞増殖と目的物質の生産が連動するように代謝経路をデザインする。また、ロボットを用いて継代培養を行い、増殖速度が上昇し代謝の律速点が解消された進化株を取得する。さらに、マイクロ流路を用いた多系列連続培養系を開発し、系列数と選択圧の種類を増やすことで、微生物の進化プロセスを多次元化する。得られた進化株のゲノム解析や代謝解析を行い、親株からどのように代謝が遷移したのかを明らかにする。得られた知見をもとに代謝を自在に変化させ、有用物質生産株を構築する手法を確立する。
本年度は、ゲノムスケール代謝モデルを利用し目的物質を生産する大腸菌の代謝経路のin silicoデザインを行った。フラックスバランス解析法を用いて、細胞増殖と目的物質の生産が連動するように代謝をデザインし、必要な代謝経路の導入、不要な経路の削除を行った。また二酸化炭素排出削減を目的として、非酸化的解糖経路や逆グリオキシル酸経路の導入を行った。ロボットを用いて、実験室進化を行うことによって、増殖速度が上昇した進化株を取得する方法,得られたデータの機械学習による解析方法の有用性について確認した。また、マイクロ流系において長期培養が可能なシステム構築を行った。

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

本年度は、ゲノムスケール代謝モデルを用いて有用物質生産のための基盤株をin silicoデザインし実際に構築した。また、ロボットを用いた実験室進化、機械学習による解析法の有効性が確認された。さらに、マイクロリアクタを開発し、長期培養が可能であることを確認した。以上の観点から研究は計画通りおおむね順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

今後は、得られた進化株の全ゲノム解析を行い、どのような変異が進化株に生じたのかを突き止める。ゲノム編集を用いて同定された変異を親株に導入し、増殖、物質生産、分子機能の関係を明らかにする。この情報を集積し、目的物質に適した代謝経路のデザイン、必要変異のデザインを可能とし、柔軟な物質生産菌の開発法を完成させる。

評価記号
中間評価所見 (区分)

A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる

報告書

(6件)
  • 2021 研究概要(中間評価) ( PDF )   中間評価(所見) ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 研究概要(採択時) ( PDF )   審査結果の所見 ( PDF )   実績報告書

研究成果

(30件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 3件、 招待講演 10件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Mutations in hik26 and slr1916 lead to high-light stress tolerance in Synechocystis sp. PCC68032021

    • 著者名/発表者名
      Yoshikawa Katsunori、Ogawa Kenichi、Toya Yoshihiro、Akimoto Seiji、Matsuda Fumio、Shimizu Hiroshi
    • 雑誌名

      Communications Biology

      巻: 4

    • DOI

      10.1038/s42003-021-01875-y

    • NAID

      120007028956

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Identification of a rate-limiting step in a metabolic pathway using the kinetic model and in?vitro experiment2021

    • 著者名/発表者名
      Kitamura Sayaka、Shimizu Hiroshi、Toya Yoshihiro
    • 雑誌名

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      巻: 131 号: 3 ページ: 271-276

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2020.10.008

    • NAID

      40022515098

    • ISSN
      1389-1723
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-throughput laboratory evolution reveals evolutionary constraints in Escherichia coli2020

    • 著者名/発表者名
      Maeda Tomoya、Iwasawa Junichiro、Kotani Hazuki、Sakata Natsue、Kawada Masako、Horinouchi Takaaki、Sakai Aki、Tanabe Kumi、Furusawa Chikara
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 ページ: 5970-5970

    • DOI

      10.1038/s41467-020-19713-w

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Flux controlling technology for central carbon metabolism for efficient microbial bio-production2020

    • 著者名/発表者名
      Toya Yoshihiro、Shimizu Hiroshi
    • 雑誌名

      Current Opinion in Biotechnology

      巻: 64 ページ: 169-174

    • DOI

      10.1016/j.copbio.2020.04.003

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Transcription Factor ArcA is a Flux Sensor for the Oxygen Consumption Rate inEscherichia coli2020

    • 著者名/発表者名
      Nochino Naoya、Toya Yoshihiro、Shimizu Hiroshi
    • 雑誌名

      Biotechnology Journal

      巻: 15 ページ: 1900353-1900353

    • DOI

      10.1002/biot.201900353

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Understanding metabolic adaptation by using bacterial laboratory evolution and trans-omics analysis2020

    • 著者名/発表者名
      Horinouchi Takaaki、Furusawa Chikara
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: - ページ: 677-682

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00695-4

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Suppression of antibiotic resistance evolution by single-gene deletion2020

    • 著者名/発表者名
      Horinouchi Takaaki、Maeda Tomoya、Kotani Hazuki、Furusawa Chikara
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: 4178-4178

    • DOI

      10.1038/s41598-020-60663-6

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 光照射により代謝フラックスをコントロールする技術の開発2020

    • 著者名/発表者名
      戸谷吉博、清水浩
    • 雑誌名

      バイオサイエンスとインダストリー

      巻: 78 ページ: 31-32

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Analysis of Bacterial Laboratory Evolution toward Prediction, Control, and Macroscopic State Theory of Evolution2019

    • 著者名/発表者名
      FURUSAWA Chikara、HORINOUCHI Takaaki
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 59 号: 5 ページ: 262-265

    • DOI

      10.2142/biophys.59.262

    • NAID

      130007718911

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] モデル基盤代謝デザインと指向性進化による高効率細胞工場の創製2021

    • 著者名/発表者名
      清水浩
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 微生物の中枢代謝経路フラックスを制御するための技術2021

    • 著者名/発表者名
      戸谷吉博
    • 学会等名
      関西スマートセルフォーラム2021
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛍光タンパク質を利用した共培養のための菌体比率制御技術の開発2021

    • 著者名/発表者名
      楠田みのり、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      化学工学会第86年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 連続培養を用いた指向性進化実験による大腸菌のメバロン酸取り込み能力の強化2021

    • 著者名/発表者名
      村上茉奈美、川井隆太郎、前田智也、堀之内貴明、古澤力、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      日本農芸化学会2021年度大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Optogenetic control of the central carbon metabolism in Escherichia coli2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshihiro Toya
    • 学会等名
      The 22nd Academic Exchange Seminar between Shanghai Jiao Tong University and Osaka University
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] フラックスバランス解析を利用した増殖連動型物質生産のための代謝設計とその応用2020

    • 著者名/発表者名
      戸谷吉博
    • 学会等名
      2020年日本バイオインフォマティクス学会年会・第9回生命医薬情報学連合大会(IIBMP2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 微生物の継代培養の全自動化 ~実装・運用・応用~2020

    • 著者名/発表者名
      堀之内貴明、樫森啓真
    • 学会等名
      Laboratory Automation Developers conference 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 若手主導で考えるポストコロナ研究の未来2020

    • 著者名/発表者名
      堀之内貴明
    • 学会等名
      生物工学Webシンポジウム2020:「(WS11)理学・工学分野から若手主導で考える酵母研究の未来」
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 代謝モデルを利用した指向性進化による大腸菌イソプレノール合成のボトルネック解消2020

    • 著者名/発表者名
      川井隆太郎、三吉健太、堀之内貴明、前田智也、古澤力、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      日本生物工学会【関西支部】2020年度 学生オンライン発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 微生物物質生産の代謝デザインと細胞性能評価2020

    • 著者名/発表者名
      清水浩 戸谷吉博
    • 学会等名
      化学工学会第51回秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 試験管内反応系を利用した代謝経路の律速段階の同定2020

    • 著者名/発表者名
      北村 さや香、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      化学工学会第51回秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 相利共生関係を利用した増殖連動型の有用物質生産株の代謝設計2020

    • 著者名/発表者名
      川井隆太郎、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      化学工学会第51回秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 光誘導スイッチを利用した代謝フラックスの動的な調節技術の開発2020

    • 著者名/発表者名
      塚本雅士、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      化学工学会第51回秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 実験室進化実験による大腸菌の非酸化的解糖経路のフラックス増強2020

    • 著者名/発表者名
      三吉健太、川井隆太郎、堀之内貴明、前田智也、古澤力、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      化学工学会第51回秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] In silico代謝デザインに基づく非酸化的解糖系依存の大腸菌株の創出2020

    • 著者名/発表者名
      三吉 健太、川井 隆太郎、堀之内 貴明、戸谷 吉博、清水 浩
    • 学会等名
      日本農芸化学会2020年度大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Integration of in silico Genetic Modification Design and Adaptive Laboratory Evolution to Increase in Productivity of Target Compounds2019

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Hiroshi
    • 学会等名
      International Conference on Metabolic Science 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Metabolic Engineering to Create Microbial Cell Factories2019

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Hiroshi
    • 学会等名
      The 21st Academic Exchange Seminar Between Shanghai Jiao Tong University And Osaka University
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 大腸菌の共培養によるイソプレノール合成経路のボトルネックの解消2019

    • 著者名/発表者名
      川井隆太郎、戸谷吉博、清水浩
    • 学会等名
      第71回日本生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 大腸菌の大規模実験室進化とオミクス解析による適応進化動態の解析2019

    • 著者名/発表者名
      堀之内貴明
    • 学会等名
      第35回個体群整体学会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 全自動実験室進化システムと大規模計測を用いたストレス耐性大腸菌の育種2019

    • 著者名/発表者名
      堀之内貴明
    • 学会等名
      日本生物工学会バイオインフォマティクス相談部会第三回講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 清水浩研究室

    • URL

      http://www-shimizu.ist.osaka-u.ac.jp/hp/index.html

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-06-27   更新日: 2022-05-19  

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