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微生物の代謝を利用した生産プロセスは、環境への負荷が少なく持続的な生産を可能とするプロセスとして期待されている。代謝による物質生産を高度化するには、代謝全体を目的物質生産に適した状態へと改変する必要がある。生物は、元来置かれた環境に適応し、細胞内の代謝状態を自然に最適化するという性質を有しており、この特徴を代謝改変に利用できないかと考えた。実験室進化実験は、同一培養環境下で継代培養することで増殖速度が向上するよう株を育種する手法である。細胞が増殖すればするほど目的物質を生産する増殖連動型の生産株に実験室進化実験を行えば、生産性向上が期待できる。本研究では、計算機上で再構築されたゲノムスケールの代謝反応モデルを用いて増殖連動型の有用物質生産大腸菌を構築し、さらに実験室進化実験により適応進化させることで高生産株育種を目指す。さらに生産株のオミクス解析を行い、生産性向上に寄与した代謝変動を解明する。
本年度は、前年度に同定したコハク酸生産に有効な新規のppc遺伝子変異について解析を行い、生産向上機構を解明した。その結果として、ppcに変異が生じることでアスパラギン酸によるPpcへの阻害を回避し、還元的TCA回路を介したコハク酸生産を向上した事が明らかになった。さらに、代謝反応モデル上のPpcのフラックス値に制約を課した上でシミュレーションを行うことで、増殖連動型のコハク酸生産では、Ppcが律速となる事を数理モデルからも明らかになった。
総括として、本研究では代謝反応モデルによる増殖連動型生産に有効な代謝設計と実験室進化による細胞増殖能の向上を行う事で、生物自身に代謝機能を改善させ、コハク酸高生産株を狙い通りに育種する事に成功した。さらに、実験的手法と数理モデルより、増殖連動型のコハク酸生産における律速反応と分子機構を解明し、かつ律速解消に有効な新規の遺伝子変異体の獲得に成功した。
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