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

通过基于模型的代谢设计和适应性实验室进化开发高性能微生物细胞工厂

基本信息

批准号：
19H05626
负责人：
清水浩
金额：
$ 119.97万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-06-26 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

Microorganisms interact with each other in multiple ways within cells, and most metabolic reactions are easy to maintain and optimize for the production of target substances. This study aims to establish a unified understanding of microbial metabolism and a rational approach to metabolic engineering. The host microorganism for useful substance production is Escherichia coli, carbon source, precursor, target substance, metabolic pathway, and extraction. The principle of the increase of the main pathway of metabolism and the establishment of the method of metabolism The metabolic pathway is linked to cell proliferation and production of target substances. In addition, the growth rate increased and the metabolic rate increased. In addition, the development of culture, selection system, multi-series continuous culture system, the increase of series number and selection type, and the diversification of microbial evolution system were carried out. The evolution of the plant requires analysis of metabolism, and the parent plant requires analysis of metabolism. The method of obtaining knowledge and metabolism is established. This year, the metabolic pathway of Escherichia coli for the production of target substances and the utilization of target substances were fully implemented. A method for the production of a target substance in a cell culture has been developed. In addition, the introduction of non-acidified glycolysis pathway was successful in producing E. coli from the theoretical maximum yield of the pathway The relationship between expression and phenotype is clearly defined. The development of the culture and selection system was completed, and the evolution of the culture and selection system was started.

项目成果

期刊论文数量（105）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Analysis of Bacterial Laboratory Evolution toward Prediction, Control, and Macroscopic State Theory of Evolution

细菌实验室进化向预测、控制和宏观进化状态理论的分析

DOI：
10.2142/biophys.59.262
发表时间：
2019
期刊：
Seibutsu Butsuri
影响因子：
0
作者：
FURUSAWA Chikara;HORINOUCHI Takaaki
通讯作者：
HORINOUCHI Takaaki

光を利用したバイオプロセスの開発に関する研究

利用光进行生物过程开发的研究

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Satoko Hayashi;Manabu Uegaito;Taro Nishide;Eiichiro Tanaka;Waro Nakanishi;Takahiro Sasamori;Norihiro Tokitoh and Mao Minoura;時盛将吾，久保田隼也，中塚裕哉，大坂昇，松山哲也，和田健司，岡本晃一;清水浩;久保田隼也，中塚祐哉，時盛将吾，松山哲也，和田健司，岡本晃一;戸谷吉博
通讯作者：
戸谷吉博

細菌の複数薬剤耐性実験進化をラボオートメーションでフィードバック制御する

利用实验室自动化对细菌多重耐药性实验进化进行反馈控制