High performance microbial cell factories development by model based metabolic design and adaptive laboratory evolution

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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シングルコロニー培養・選択系、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、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デザインを行い、生産可能な物質を拡充した。また、細胞増殖と目的物質の生産が連動する代謝をデザインのみならず増殖に非連動な物質生産デザインも可能とする方法を開発し有効性を実証した。さらに、非酸化的解糖経路の導入を行い大腸菌が元来有する経路の理論最大収率を超える生産に成功した。ロボットを用いて、実験室進化とゲノム解析を行って進化と表現型の変化の関係を明らかにした。また、上記の培養・選択系の開発を完成させ，それを用いた実験室進化実験を開始した。