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本研究の目的は、自然環境をゼロから再構築するための枠組みの構築であり、その根幹を担う微生物生態系の形成プロセスを、微生物間代謝ネットワークに注目することで解明し、微生物生態系の制御・再構築を目指した。その為に、基質競合する5種の微生物を用いた連続集積培養系をモデル微生物生態系と位置づけ、各菌株の共存を代謝産物の分配という観点から解析した。その結果、5種の微生物の植菌順序が変わると共存の可否が異なることが示された。また、培養期間中の培養上清を分析することで、微生物間で分配される代謝産物を解析したところ、少なくとも161種が分配されていることが示された。また、植菌した微生物種数の増加に伴って、基質として与えたフェノールの初発代謝産物であるカテコールが検出されるようになり、本研究で用いた5種の微生物はモデル微生物系における根幹機能であるフェノール分解でさえも分担し、かつ、様々な代謝産物を共有する複雑なネットワークを形成していることが示唆された。
モデル微生物系の安定性を評価するため各菌株の遺伝子転写を解析した。上記の様に5種の植菌順序を変更すると様々な平衡点を持つ上、5種を同じ菌密度で同時に植菌したとしても複数の平衡点を持っていた。そこで5種を同時に植菌した培養系で群集構造が安定な系と、優占種が変化した培養系を用いた。その結果、R2株が優占化した培養系では微生物群集構造は安定である一方で、転写プロファイルは大きく変動していることが示された。c26株が優占化した培養系では培養に伴い複数種がフェノールを利用していることが示された。以上の結果から、群集構造が安定な系では複雑な代謝ネットワークがその形を変えながら維持されており、フェノールの競合が激しくネットワークが形成されにくい状態では、群集構造が不安定になることが示唆された。
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