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2013 年度 実績報告書

実験進化過程のマルチオミクス解析によるストレス耐性細胞工場の創製

研究課題

研究課題/領域番号 24246134
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 古澤 力  独立行政法人理化学研究所, その他部局等, その他 (00372631)
松田 史生  大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (50462734)
平沢 敬  東京工業大学, 生命理工学研究科, 准教授 (20407125)
吉川 勝徳  大阪大学, 情報科学研究科, 助教 (20599279)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2016-03-31
キーワード進化工学 / マルチオミクス / ストレス耐性 / 物質生産 / ゲノムスケールモデル
研究概要

生物機能を利用した再生可能資源からのバイオ化成品、バイオ燃料生産プロセスの開発が注目されている。微生物を細胞工場として高度化するためには、バイオプロセスにおいてストレスに耐性を賦与することが重要である。本研究では、大腸菌の長期植え継ぎ培養自動化システムを開発し、バイオ化成品生産のためのストレスに対して耐性を獲得した進化株を取得する。進化株と親株をマルチオミクス解析し、両株における細胞内状態の差異を解明する。また、ゲノムスケールの代謝反応モデルを用いてin silico予測された目的物質生産のための代謝経路デザイン株をバイオプロセス環境に適応進化させることにより、生産最適化株を創製する。こうした研究を統合的に進めることにより、バイオ燃料・化成品生産のための大腸菌細胞工場を創製する。
本年度は、昨年開発した長期植え継ぎ培養自動化システムを用いて、乳酸やブタノールなど複数のストレスに対して、環境に適応進化した個体が濃縮され選択されることを確認した。次に、高エタノール濃度存在下で耐性を示す複数の実験進化株に対し、時系列的に進化の過程を追跡可能なゲノム変異解析、遺伝子発現解析、細胞内代謝物質の網羅的測定を行った。
次世代シークエンサーを用いたゲノムのリシークエンスによる全ゲノム一塩基変異解析、DNAマイクロアレイによる網羅的遺伝子発現解析、キャピラリー電気泳動質量分析計(CE/MS)による代謝プロファイル解析を行って、遺伝子型、細胞内状態の変化が表現型にもたらす影響について詳細に調べた。また、これらの情報の統合解析について検討した。
さらに、増殖速度が上昇すると共に物質生産が向上させる微生物の代謝をシミュレートできる手法を開発した。

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

平成25年度まで、ほぼ計画通り、進化株を取得のため大腸菌の長期植え継ぎ培養自動化システムを開発し、複数のストレスについて適用した。また、進化株と親株をマルチオミクス解析するための基盤技術も同時に開発しエタノール耐性株について応用を始めている。シミュレーション手法も開発できており、研究は順調に進展している。

今後の研究の推進方策

H26年度以降は開発した長期植え継ぎ培養系を用いてより多数のストレスに対する、ストレス耐性株の取得を行う。複数のストレス環境下で時系列的にストレス耐性の度合いを評価し、菌株を保存してライブラリを作成する。これらの進化過程を追跡するために、ゲノムのリシークエンス、遺伝子発現量の網羅的解析、代謝物測定を行える系を用いて、細胞の状態変化を親株と比較しつつ行い、ストレスに強い形質を与える要因を解析する。シミュレーションにより物質生産と増殖が連動するような系を予測し、これを実証する株を構築する。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (25件) (うち招待講演 7件)

  • [雑誌論文] FastPros: Screening of reaction knockout strategies for metabolic engineering2014

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Ohno, Hiroshi Shimizu, Chikara Furusawa
    • 雑誌名

      Bioinformatics

      巻: 30 ページ: 981-987

    • DOI

      10.1093/bioinformatics/btt672.

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of an automated culture system for laboratory evolution2014

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Horinouchi, Teruaki Minamoto, Shingo Suzuki, Hiroshi Shimizu, Chikara Furusawa
    • 雑誌名

      Journal of Laborarory Automation

      巻: - ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Addendum, Potential of a Saccharomyces cerevisiae recombinant strain lacking ethanol and glycerol biosynthesis pathways in efficient anaerobic bioproduction2014

    • 著者名/発表者名
      Takashi Hirasawa, Yoshihiro Ida, Chikara Furusawa, Hiroshi Shimizu
    • 雑誌名

      Bioengineered

      巻: 5 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for improving succinic acid production based on metabolic profiling2014

    • 著者名/発表者名
      Yuma Ito, Takashi Hirasawa, Hiroshi Shimizu
    • 雑誌名

      Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry

      巻: - ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] In silico screening of triple reaction knockout Escherichia coli strains for overproduction of useful metabolites2013

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Ohno, Chikara Furusawa, Hiroshi Shimizu
    • 雑誌名

      J. Biosci. Bioeng

      巻: 115 ページ: 221-228

    • 査読あり
  • [学会発表] 人工進化実験による<i>Synechocystis</i> sp. PCC 6803へのイソブタノール耐性の賦与2014

    • 著者名/発表者名
      松迫 卓也、仲嶋翼、吉川勝徳、清水浩
    • 学会等名
      日本農芸化学大会2014大会
    • 発表場所
      明治大学(東京)
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] Bacterial evolution of cross-resistance and hypersensitivity to other classes of antibiotics2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木真吾, 堀之内貴明, 古澤力
    • 学会等名
      第87回日本細菌学会総会
    • 発表場所
      タワーホール船堀(東京)
    • 年月日
      20140326-20140328
  • [学会発表] 大腸菌の実験室進化系を用いた 適応進化ダイナミクスの解析2014

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      第2回 社会の数理セミナー
    • 発表場所
      東京工業大学 田町キャンパス(東京)
    • 年月日
      20140326-20140326
    • 招待講演
  • [学会発表] <I>Synechocystis</I> sp. PCC 6803の強光耐性株の解析2014

    • 著者名/発表者名
      吉川勝徳、小川健一、秋本誠志、清水浩
    • 学会等名
      第55回日本植物生理学会年会
    • 発表場所
      富山大学(富山)
    • 年月日
      20140318-20140320
  • [学会発表] 大腸菌の進化実験による複合適応形質の進化過程の解析2014

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      新学術領域「複合適応形質進化の遺伝子基盤解明」25年度第一回領域会議
    • 発表場所
      鳥取大学(鳥取)
    • 年月日
      20140315-20140316
  • [学会発表] 実験室進化を用いた大腸菌の適応進化ダイナミクスの解析2014

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      E-Cell Workshop 2014 Spring
    • 発表場所
      慶応義塾大学湘南藤沢キャンパス(神奈川)
    • 年月日
      20140310-20140310
    • 招待講演
  • [学会発表] 異なる系統の抗菌薬に対する交差耐性および超感受性の進化2014

    • 著者名/発表者名
      鈴木真吾, 堀之内貴明, 古澤力
    • 学会等名
      第8回日本ゲノム微生物学会年会
    • 発表場所
      東京農業大学世田谷キャンパス(東京)
    • 年月日
      20140307-20140309
  • [学会発表] 代謝シミュレーションを用いた、微生物によるものづくりのための多重遺伝子破壊探索手法の開発2014

    • 著者名/発表者名
      大野聡, 清水浩、古澤力
    • 学会等名
      生命情報若手の会 第5回研究会
    • 発表場所
      東京大学 検見川セミナーハウス(千葉)
    • 年月日
      20140217-20140219
  • [学会発表] 全自動実験室進化システムの構築と大腸菌の多系列・多種ストレス環境下での実験室進化2014

    • 著者名/発表者名
      堀之内貴明,源晃明,鈴木真吾,清水浩,古澤力
    • 学会等名
      生命情報科学若手の会第5回研究会
    • 発表場所
      東京大学 検見川セミナーハウス(千葉)
    • 年月日
      20140217-20140219
  • [学会発表] 生物システムの多階層性を (理論/実験)から理解する2013

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      第2回NINS Colloquium『自然科学の将来像』
    • 発表場所
      ヤマハリゾートつま恋(静岡)
    • 年月日
      20131216-20131218
  • [学会発表] システムの維持と「揺らぎ」2013

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      第2回NINS Colloquium『自然科学の将来像』
    • 発表場所
      ヤマハリゾートつま恋(静岡)
    • 年月日
      20131216-20131218
    • 招待講演
  • [学会発表] Systems metabolic engineering - Rational design of microbial cell factories2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Shimizu
    • 学会等名
      Asian Congress on Biotechnology 2013
    • 発表場所
      Indian Institute of Technology Delhi(India)
    • 年月日
      20131215-20131219
  • [学会発表] 大腸菌の実験室進化系を用いた適応進化ダイナミクスの解析2013

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      Interdisciplinary Symposium on Advanced Biology and Biotechnology 2013
    • 発表場所
      産総研つくば中央(茨城)
    • 年月日
      20131213-20131213
    • 招待講演
  • [学会発表] 全自動実験室進化システムによる大腸菌の多系列・多種ストレス環境の実験室進化2013

    • 著者名/発表者名
      堀之内貴明,源晃明,鈴木真吾,清水浩,古澤力
    • 学会等名
      第36回日本分子生物学会年会(MBSJ2013)
    • 発表場所
      神戸国際会議場(兵庫)
    • 年月日
      20131203-20131206
  • [学会発表] 実験室進化を用いた大腸菌の抗生物質耐性獲得ダイナミクスの解析2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木真吾, 堀之内貴明, 古澤力
    • 学会等名
      日本生物物理学会
    • 発表場所
      国立京都国際会館(京都)
    • 年月日
      20131028-20131030
  • [学会発表] <i>in silico</i>スクリーニングにより代謝物質生産が予測された大腸菌多重遺伝子破壊株の特徴解析2013

    • 著者名/発表者名
      大野聡, 古澤力、清水浩
    • 学会等名
      生物工学会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島)
    • 年月日
      20130918-20130920
  • [学会発表] 代謝シミュレーションに基づいた3HP高生産大腸菌の構築2013

    • 著者名/発表者名
      徳山 健斗、大野 聡、吉川 勝徳、古澤 力、清水 浩
    • 学会等名
      生物工学会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島)
    • 年月日
      20130918-20130920
  • [学会発表] ラボオートメーションによる全自動多系列実験室進化システムの構築2013

    • 著者名/発表者名
      堀之内貴明, 源晃明, 鈴木真吾, 清水浩, 古澤力
    • 学会等名
      第65回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島)
    • 年月日
      20130918-20130920
  • [学会発表] 実験進化的手法による薬剤耐性大腸菌の創出とそのゲノミクス解析2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木真吾, 堀之内貴明, 古澤力
    • 学会等名
      第65回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      広島国際会議場(広島)
    • 年月日
      20130918-20130920
  • [学会発表] Phenotypic convergence in experimental evolution of antibiotic resistant bacteria2013

    • 著者名/発表者名
      Chikara Furusawa
    • 学会等名
      The 14th International Conference on Systems Biology(ICSB2013)
    • 発表場所
      Copenhagen, Denmark
    • 年月日
      20130830-20130903
  • [学会発表] ラボオートメーションを活用した大腸菌人工進化実験による適応進化ダイナミクスの解析2013

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      新学術領域「ゲノム支援」H25拡大班会議
    • 発表場所
      神戸ポートピアホテル(兵庫)
    • 年月日
      20130828-20130829
  • [学会発表] 全自動実験進化システムによる多剤耐性菌の創出と進化プロセスの解析2013

    • 著者名/発表者名
      鈴木真吾, 堀之内貴明, 古澤力
    • 学会等名
      新学術領域「ゲノム支援」H25拡大班会議
    • 発表場所
      神戸ポートピアホテル(兵庫)
    • 年月日
      20130828-20130829
  • [学会発表] 大腸菌人工進化実験の表現型/遺伝子型解析 ~複数の時間スケールが絡み合うダイナミクスの理解を目指して~2013

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      複雑生命システム動態研究教育拠点第四回全体会議
    • 発表場所
      東京大学(東京)
    • 年月日
      20130720-20130720
    • 招待講演
  • [学会発表] International collaborative research on systems metablic engineering for low carbon society2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Shimizu
    • 学会等名
      Biochemical and Molecular engineering XVIII
    • 発表場所
      Beijing Pharma and Biotech Center, Beijing(China)
    • 年月日
      20130616-20130620
    • 招待講演
  • [学会発表] 「ありえる生命システム」の理解へ向けて:普遍性に基づいたアプローチ2013

    • 著者名/発表者名
      古澤力
    • 学会等名
      NINS宇宙と生命懇話会(第12回)
    • 発表場所
      自然科学研究機構事務局(東京)
    • 年月日
      20130423-20130423
    • 招待講演

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公開日: 2015-05-28  

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